涉水基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降分析

張 茜

(蚌埠市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 蚌埠 233000)

0 引 言

基坑開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生土體變形，其中地表沉降變形直接影響基坑周邊建構(gòu)筑物的使用功能，選擇合適地基坑開(kāi)挖方式和開(kāi)挖速率，對(duì)減少開(kāi)挖時(shí)過(guò)大變形和基坑垮塌有重要意義。李淑等分析了 北京地區(qū)深基坑墻體變形特性[1]。成峰等采用Gompertz模型預(yù)測(cè)深基坑周邊地表沉降規(guī)律[2]。陳萬(wàn)鵬提出了一種基坑開(kāi)挖引起地表沉降的預(yù)測(cè)方法[3]。張尚根等研究了軟土深基坑開(kāi)挖地表沉降變化規(guī)律[4]。張建全等總結(jié)了北京不同區(qū)域明挖基坑地表沉降變形特征[5]。秦會(huì)來(lái)等系統(tǒng)分析了深厚淤泥地層深基坑變形影響因素[6]。王龍等模擬分析了上覆新填土軟土深基坑開(kāi)挖變形控制方法[7]。張福海等分析了斜樁支護(hù)的框架結(jié)構(gòu)基坑變形特性[8]。慕煥東等開(kāi)展了洛陽(yáng)地鐵車(chē)站基坑支護(hù)變形特性模型試驗(yàn)研究[9]。張楠研究了土巖組合地層深基坑變形規(guī)律[10]。施有志等研究了地鐵深基坑開(kāi)挖對(duì)臨近建構(gòu)筑物的影響[11]。林之航分析了上軟下硬土層的深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律[12]。蒙國(guó)往等開(kāi)展了地鐵車(chē)站深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形分析[13]。魯泰山等研究了軟土地層基坑開(kāi)挖擾動(dòng)及土體再壓縮變形[14]?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，過(guò)快開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致地面土體沉降影響范圍過(guò)大及沉降量過(guò)大，從而引發(fā)地面建構(gòu)筑物的不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致地面建構(gòu)筑物的開(kāi)裂、傾斜甚至是垮塌等工程事故，以及基坑底部土體的超挖導(dǎo)致的基底一定范圍土體應(yīng)力釋放，引起坑底土體回彈，從而引發(fā)坑底土體松動(dòng)，使得基坑內(nèi)部擬建建構(gòu)筑物地基土體擾動(dòng)過(guò)大，不利于穩(wěn)定?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，文章結(jié)合實(shí)際基坑開(kāi)挖過(guò)程，通過(guò)數(shù)值模擬探索涉水基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降和基坑底部土體豎向變形規(guī)律，以期通過(guò)合理的單次開(kāi)挖深度和開(kāi)挖速度來(lái)控制開(kāi)挖過(guò)程中的不利變形(地表沉降、坑底隆起等)，防止過(guò)大變形帶來(lái)基坑垮塌、建構(gòu)筑物不均勻沉降、傾斜及開(kāi)裂等不利影響，從而對(duì)基坑施工提供一些指導(dǎo)和參考。

1 工程簡(jiǎn)介

某基坑開(kāi)挖深度16m，寬度12m。擬采用控制開(kāi)挖厚度和開(kāi)挖速率的方式分層逐步開(kāi)挖，因而未采取任何支護(hù)措施，地質(zhì)資料顯示，場(chǎng)地土層主要為粉土和黏土。其中粉土厚度為7.6-8.5m，余下為黏土。當(dāng)?shù)貧庀筚Y料顯示，基坑開(kāi)挖區(qū)域地下水穩(wěn)定水位為4m。采取地下水樣，進(jìn)行室內(nèi)水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果表明地下水對(duì)混凝土、鋼筋等建筑材料不具有腐蝕性。鑒于施工過(guò)程中未采取支護(hù)措施，為確保施工過(guò)程中土體變形過(guò)大導(dǎo)致開(kāi)挖時(shí)基坑垮塌，需超前獲知開(kāi)挖過(guò)程中土體變形尤其是地表沉降情況，故而需要對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬分析。

2 數(shù)值模型

為了準(zhǔn)確把握地面沉降特性，采用15節(jié)點(diǎn)精確分析并加密基坑周邊土體網(wǎng)格，取全斷面予以分析，同時(shí)視為平面應(yīng)變問(wèn)題。基坑模型開(kāi)挖深度為16m，寬度12m。為消除邊界影響，經(jīng)試算，取模型邊界尺寸為深度32m，寬度60m。土層材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。其中粉土平均厚度為8.0m，余下為黏土。地下穩(wěn)定水位取為4.0m。數(shù)值模型邊界變形條件為：模型左、右兩側(cè)水平方向位移為零，允許發(fā)生豎向變形，底部為固定邊界(不允許發(fā)生變形)。數(shù)值模擬模型示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

表1 土層材料參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 基坑開(kāi)挖地表沉降變形分析

由圖2可知，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑兩側(cè)位移呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)形式，坑壁變形量分別為3mm、3.4mm、-3.8mm、-8mm，其中正值表現(xiàn)為隆起，負(fù)值表現(xiàn)為沉降，即基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑壁沉降量逐漸增大，且表現(xiàn)為先隆起后沉降的趨勢(shì)。前期較小的隆起量可能是基坑土體對(duì)周?chē)馏w具有約束作用的緣故。由圖2還可知，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑底部沉降量分別為3mm、8mm、12mm、16mm，均表現(xiàn)為隆起，即基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑底存在持續(xù)隆起的現(xiàn)象。

(a)基坑開(kāi)挖4m

3.2 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形分析

3.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取

基坑開(kāi)挖過(guò)快會(huì)導(dǎo)致地面土體沉降影響范圍過(guò)大及沉降量過(guò)大，從而引發(fā)地面建構(gòu)筑物的不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致地面建構(gòu)筑物的開(kāi)裂、傾斜甚至是垮塌等工程事故，以及基坑底部土體的超挖導(dǎo)致的基底一定范圍土體應(yīng)力釋放，引起坑底土體回彈，從而引發(fā)坑底土體松動(dòng)等不利于坑底土體的穩(wěn)定?；谝陨峡紤]，由于開(kāi)挖基坑的幾何對(duì)稱(chēng)性，在地表處，選取距離基坑左側(cè)邊緣1m，2m，3m，4m的四個(gè)點(diǎn)位，分別記作點(diǎn)A、B、C、D作為地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，探索基坑開(kāi)挖時(shí)地表沉降變形規(guī)律。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形分析

由圖4可知，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，距離基坑左側(cè)邊緣1m，2m，3m，4m處地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形逐步增大，最終變形量分別為5mm、7mm、11mm、16mm，且距離基坑邊緣越近最終沉降量和前期沉降速率均越大，即受基坑開(kāi)挖影響越大。因此，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，因加強(qiáng)地面及地面重要建構(gòu)筑物的沉降監(jiān)測(cè)，合理控制和開(kāi)挖深度和開(kāi)挖速率，必要時(shí)采取適時(shí)的支護(hù)措施，以控制地面的沉降和開(kāi)挖面的垮塌，從而確保基坑開(kāi)挖時(shí)施工安全。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形

4 結(jié) 論

1)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑兩側(cè)位移呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)形式，坑壁變形量分別為3mm、3.4mm、-3.8mm、-8mm，其中正值表現(xiàn)為隆起，負(fù)值表現(xiàn)為沉降，即基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑壁沉降量逐漸增大，且表現(xiàn)為先隆起后沉降的趨勢(shì)。前期較小的隆起量是基坑土體對(duì)周?chē)馏w具有約束作用的緣故。

2)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑底部沉降量分別為3mm、8mm、12mm、16mm，均表現(xiàn)為隆起，即基坑開(kāi)挖過(guò)程中坑底存在持續(xù)隆起的現(xiàn)象。因此，基坑開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)坑底土體的變形監(jiān)測(cè)，防止過(guò)快開(kāi)挖及基坑底部土體的超挖導(dǎo)致的基底一定范圍土體應(yīng)力釋放，引起坑底土體回彈，從而引發(fā)坑底土體松動(dòng)等不利于坑底土體的穩(wěn)定。

3)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，距離基坑左側(cè)邊緣1m，2m，3m，4m處地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形逐步增大，最終變形量分別為5mm、7mm、11mm、16mm，且距離基坑邊緣越近最終沉降量和前期沉降速率均越大，即受基坑開(kāi)挖影響越大。因此，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，因加強(qiáng)地面及地面重要建構(gòu)筑物的沉降監(jiān)測(cè)，合理控制和開(kāi)挖深度和開(kāi)挖速率，必要時(shí)采取適時(shí)的支護(hù)措施，以控制地面的沉降和開(kāi)挖面的垮塌，從而確?；娱_(kāi)挖時(shí)施工安全。