某泵站基坑分層開(kāi)挖全過(guò)程土體變形分析

丁立訓(xùn)

（東營(yíng)市水利灌溉服務(wù)中心，山東 東營(yíng) 257091）

1 引言

隨著城市的快速發(fā)展，土地資源越來(lái)越昂貴，如何在提高土地資源利用率的同時(shí)兼顧工程成本是亟須解決的問(wèn)題。鑒于此，設(shè)計(jì)師和工程建設(shè)者們將眼光轉(zhuǎn)向地下空間，由此，便引出了基坑工程問(wèn)題。王龍等通過(guò)分析得出，增加圍護(hù)樁插入比對(duì)減小基坑坑底隆起作用不大。張敬弦等提出了一種基坑豎向彈性地基梁計(jì)算模型。李哲等依托實(shí)際工程，分析了地下連續(xù)墻支護(hù)基坑施工全過(guò)程變形特性。路林海等提出了一種減少基坑開(kāi)挖變形的施工方案。索文斌等提出了一種基坑數(shù)值模擬方法。樓春暉等提出基坑邊角可限制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。施有志等得出靠基坑越近建筑物受開(kāi)挖影響越大。基坑模擬中，現(xiàn)有模擬方法僅考慮了土體強(qiáng)度折減，這與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不符，基于此，程雪松等提出了土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)折減的計(jì)算方法，研究結(jié)果顯示，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度折減是必要的，如若不考慮，則會(huì)高估基底抗隆起穩(wěn)定安全水平。肖敬宇等基于實(shí)際基坑沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用基于對(duì)數(shù)變換的優(yōu)化灰色模型分析了基坑的沉降變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的分析方法精度高，具有較高應(yīng)用價(jià)值。鑒于基坑工程中變形觀測(cè)和預(yù)測(cè)的重要性，文章嘗試通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)采用限制開(kāi)挖深度分層開(kāi)挖的未支護(hù)基坑施工過(guò)程中的變形提供一些借鑒和參考。

2 工程簡(jiǎn)介

山東某泵站基坑開(kāi)挖，開(kāi)挖深度4 m，寬度10 m，由于基坑開(kāi)挖工期不影響工程工期，基坑施工過(guò)程中未采取任何支護(hù)措施。為較少工程成本、防止開(kāi)挖過(guò)快導(dǎo)致變形過(guò)大而引起基坑坍塌和地表過(guò)大沉降，擬采用限制開(kāi)挖深度的方法逐層開(kāi)挖。分層開(kāi)挖方案為：1 m，1 m，1 m，1 m。現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)和室內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，基坑穩(wěn)定水位埋深為1.30～2.70 m，場(chǎng)地地下水不具有腐蝕性。

3 數(shù)值模型

為了更準(zhǔn)確地分析開(kāi)挖過(guò)程中地面沉降的變化規(guī)律，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4 m，寬度10 m。為消除邊界影響，模型邊界寬度取20 m，深度8 m。土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。當(dāng)繼續(xù)增加邊界寬度，經(jīng)試算基坑的位移和受力沒(méi)有發(fā)生變化，可認(rèn)為基坑的邊界選擇是滿(mǎn)足工程要求的。

表1 土層參數(shù)表

施工荷載作用在距基坑2 m 以外，左右兩側(cè)均按2 kN/m2計(jì)。地下水位取為2 m。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）。分層開(kāi)挖方案為：1 m，1 m，1 m，1 m。有限元模型如圖1 所示。選擇分層開(kāi)挖的目的是研究不進(jìn)行支護(hù)條件下，基坑的位移變化情況。因基坑僅開(kāi)挖4 m，且分四層進(jìn)行開(kāi)挖，從工程經(jīng)驗(yàn)分析，基坑不會(huì)發(fā)生坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 有限元模型示意圖

4 數(shù)值模擬分析

4.1 基坑分層開(kāi)挖土體總體變形分析

隨著基坑的分層開(kāi)挖，緊靠基坑兩側(cè)總體位移分別為1.80、5.90、11、20 mm；基坑坑底（4 m處）總體位移分別為0.80、1.50、4、6 mm。隨著開(kāi)挖深度增加，緊靠基坑兩側(cè)和坑底總體位移不斷增大，且緊靠基坑兩側(cè)總體位移影響范圍不斷增大。因此，基坑開(kāi)挖過(guò)程中要加強(qiáng)基坑周?chē)h(huán)境的監(jiān)測(cè)。然而以上的位移均遠(yuǎn)小于20 mm，可認(rèn)為基坑的總體變形是控制在工程允許的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)工程造成安全隱患。

4.2 基坑分層開(kāi)挖土體豎向變形分析

隨著基坑的分層開(kāi)挖，緊靠基坑兩側(cè)豎向位移分別為1.60、1、-3、-6 mm；基坑坑底豎向位移分別為1.0、2、2.50、3 mm。隨著開(kāi)挖深度增加，緊靠基坑兩側(cè)豎向位移由正值（隆起）轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值（沉降），且前后數(shù)值變化較大，表明隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，基坑土體對(duì)周?chē)馏w的約束作用不斷釋放，基坑周?chē)馏w不斷恢復(fù)到最初的固結(jié)狀態(tài)；在基坑土體開(kāi)挖過(guò)程中，坑壁周?chē)馏w的沉降變形主要集中在坑壁附近較小區(qū)域，且以基坑為中心呈對(duì)稱(chēng)分布。地面上距離坑壁越遠(yuǎn)，土體變形（隆起或沉降）數(shù)值越小，即基坑開(kāi)挖過(guò)程中，距離基坑越遠(yuǎn)的部位受基坑開(kāi)挖影響越小。隨著基坑的不斷開(kāi)挖，基坑坑底豎向位移一直保持為正值（表現(xiàn)為隆起）且不斷增大，說(shuō)明基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑坑底存在持續(xù)隆起的趨勢(shì)，這是基坑土體開(kāi)挖導(dǎo)致坑底土體附加應(yīng)力減小，從而土體出現(xiàn)回彈的緣故。鑒于基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑底存在持續(xù)隆起的趨勢(shì)，實(shí)際基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，應(yīng)控制開(kāi)挖速率和單次開(kāi)挖厚度，避免過(guò)快開(kāi)挖對(duì)坑底土體產(chǎn)生不利影響。

4.3 基坑分層開(kāi)挖土體水平向變形分析

基坑分層開(kāi)挖過(guò)程中，基坑兩側(cè)附近水平向位移依次為0.70、4、12、16 mm；坑底水平向位移依次為0.10、0.60、2、4 mm。基坑兩側(cè)附近和坑底水平向位移隨著開(kāi)挖深度增加不斷增大且坑壁周?chē)馏w存在水平應(yīng)力集中現(xiàn)象，且呈對(duì)稱(chēng)分布，同時(shí)遠(yuǎn)離開(kāi)挖區(qū)域的土體受擾動(dòng)較小。

同一部位的變形（豎向和水平）分析可知，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)應(yīng)為坑壁水平位移和坑底隆起。同樣，以上的水平位移均遠(yuǎn)小于20 mm，可認(rèn)為基坑的水平變形是控制在工程允許的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)工程造成安全隱患。

5 結(jié)論

基坑兩側(cè)附近及坑底總體位移隨著開(kāi)挖深度增加不斷增大。靠近基坑兩側(cè)豎向位移由正值（隆起）轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值（沉降），且前后數(shù)值變化較大。基坑兩側(cè)附近和坑底水平向位移隨著開(kāi)挖深度增加不斷增大。緊靠基坑兩側(cè)豎向位移（表現(xiàn)為沉降）及基坑坑底豎向位移（表現(xiàn)為隆起）均隨著開(kāi)挖深度增加不斷增大。因此，對(duì)于未加支護(hù)的基坑，開(kāi)挖過(guò)程中要重視對(duì)分層開(kāi)挖厚度及開(kāi)挖速率的控制，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基坑周?chē)h(huán)境的監(jiān)測(cè)，其重點(diǎn)應(yīng)為坑壁水平位移和坑底隆起。