某高層地下室基坑開挖過程變形特性分析

摘要：基坑開挖卸載會破壞原有地應力平衡，擾動周邊土層，對基坑結構及周邊環境產生影響。基于此，依托某高層地下室基坑開挖項目，通過有限元軟件建立基坑模型，模擬基坑開挖過程，對基坑開挖過程中基坑及地表變形進行分析。研究結果表明：三處關鍵部位的變形量均與基坑開挖深度成正比，開挖完成后的變形峰值分別達到21.86mm、24.9mm及32.10mm，符合規范控制要求。基坑兩側未開挖土體的主動土壓力，是造成地下連續墻及坑底土體變形的主要原因；坑內外土體的應力失衡是造成坑外地表沉降的主要原因。

關鍵詞：基坑開挖；地下連續墻位移；地表沉降；坑底隆起

0" "引言

隨隨著我國經濟的飛速發展，高層建筑日趨復雜，基坑逐漸向“更深、更大”的方向發展，這也給深基坑設計和施工帶來了極大的挑戰[1]。同時，基坑尺寸、地質條件、周邊環境等因素均會給基坑施工帶來顯著影響。合理的基坑設計則能很好的控制基坑自身變形，減小對周邊環境的影響。

近年來，不少學者通過數值模擬、現場監測等手段對此開展了一系列的研究。董和平等[2]以某采用咬合樁支護結構的深基坑工程為例，通過Abaqus有限元軟件建立三維基坑模型，分析了咬合樁不同支護參數對樁身變形、地表沉降、坑底隆起的影響。朱朋佳等[3]依托某深基坑工程，建立了基坑-樁基耦合模型，分析了基坑開挖對臨近高架樁的變形影響，結合現場監測試驗，評估了基坑施工的安全影響。王羽等[4]以南京軌道交通5號線九龍湖站為背景，計算了開挖過程中的圍護結構側移量、坑底隆起值與基坑周邊地表沉降量，結果表明，坑底隆起最大值為24mm，圍護結構最大側位移發生位置位于基坑最大開挖深度的0.7處。

本文以某高層地下室基坑為工程背景，通過有限元分析軟件plaxis2D，對基坑開挖過程中的地下連續墻側向變形、坑外地表沉降及坑底隆起特性進行了分析，以期為該工程的設計及施工過程提供參考。

1" "工程概況

某地區一待建高層地下室的深基坑工程坑基坑開挖寬度約為55m，長度約為45m，最大開挖深度16m，擬采用明挖法施工，地下連續墻打設深度27m，以粉砂層作為持力層，墻端進入持力層3m。

坑內共設3道支撐，第一道撐為混凝土支撐，第二道撐及第三道撐均為鋼支撐。分3層對基坑進行開挖，第一層開挖深度10m，第二層及第三層開挖深度均為3m。根據前期工程地質勘察，查明該處場地的土層分布從上至下分別是填土層、淤泥質粉質黏土層、粉砂層。

2" "三維數值模型

2.1" "模型建立

根據基坑支護設計及現場勘察報告，建立基坑模型，對基坑開挖過程中地下連續墻、坑外地表及坑底土體的變形行為進行分析。其中土體以及地下連續墻采用軟件內置的15節點平面應變單元進行建模，混凝土支撐及鋼支撐采用錨桿單元進行建模。

模型邊界條件假定如下：模型表面為完全自由邊界；模型側面為徑向自由、法向固定邊界；模型底部為完全固定邊界。對整個模型進行網格劃分，且地連墻與土層接觸部位網格局部加密，共劃分1928個單元，3658個節點，建立的有限元模型如圖1所示。

2.2" "參數取值及計算過程

土體本構模型均選用摩爾庫倫理想彈塑性模型，結合實際勘查情況及室內試驗結果，土體材料的本構模型參數及取值情況如表1所示。混凝土支撐及鋼支撐采用錨桿單元進行建模，結構與土接觸面單元用Goodman單元模擬，接觸面單元切線方向服從摩爾庫倫屈服準則，結合實際設計方案，確定支撐單元的材料本構模型參數及取值如表2所示。

模擬基坑分層開挖過程，對開挖過程中的地下連續墻變形、坑外地表沉降及坑底隆起變形進行分析，因模型兩邊呈中心對稱，因此以基坑中心線為界，通過標記節點獲取計算結果，在節點標記過程中取半幅模型作為標記對象。

3" "數值結果分析

3.1" "地下連續墻變形分析

3.1.1" "最大變形值出現位置

不同開挖深度下地下連續墻側向變形如圖2所示，從圖2可以看到，基坑開挖后，地下連續墻的變形方向朝向基坑內，且呈現出兩端小中間大的趨勢，最大變形值出現在地表以下10m、13m、16m處，與每一層的開挖面對應。

分析認為，基坑內的土體開挖后，地下連續墻外部的土體在主動土壓力的作用下產生向坑內位移的趨勢，然而由于內支撐的存在，會抵消一部分主動土壓力，因此開挖面以上的地下連續墻側向變形呈現出逐漸增大的趨勢。而開挖面以下的墻體部分由于嵌固在土體內，坑內未開挖土體產生的被動土壓力會抵消一部分開挖土體產生的主動土壓力，因此墻體的側向變形趨勢逐漸減小，因此最大變形出現在開挖面處。

3.1.2" "最大側向變形值增長趨勢

隨著開挖深度的增加，地下連續墻的側向變形逐漸增大，在第一層開挖完成后，地下連續墻的最大側向變形值為7.86mm，第二層、第三層開挖完成后，地下連續墻的最大側向變形值分別增長至12.46mm及21.86mm，與第一層開挖后相比，分別增長了約58.5%及178.0%。分析認為，開挖深度越大，墻外土體產生的主動土壓力越大，從而導致墻體受力增加，產生更多的側向變形。

3.1.3" "符合規范判定

根據GB 50497—2019[5]《建筑基坑工程監測技術標準》中有關規定，對于地下連續墻頂部側向變形不得超過30mm，深層側向變形不得超過50mm。本分析中墻頂最大側向變形發生在第一層開挖后，約7.86mm，深層最大側向變形發生在第三層開挖后，約21.86mm，均低于規范中所規定的控制值上限。

3.2" "坑外地表沉降分析

3.2.1" "坑外地表沉降最大值

不同開挖深度下的坑外地表沉降變形如圖3所示，從圖3可以看到，隨著與地下連續墻的距離增加，坑外地表沉降值呈現出先急劇增大，后逐漸減小且最終區域平緩的趨。在第一層開挖完成后，坑外地表沉降最大值為20.48mm，第二層、第三層開挖完成后，坑外地表沉降最大值分別增長至22.48mm及24.49mm，與第一層開挖后相比，分別增長了約9.8%及19.6%。

分析認為，在地下連續墻附近，開挖會引起較大的應力釋放，墻外土體的主要支撐結構被移除，導致地下連續墻附近的土體活動更為活躍，從而產生較大的沉降。而隨著距離的增加，開挖對墻外土體的直接擾動減少，因此沉降效應也隨之減小，最終在一定范圍外達到一個相對平穩的狀態。

3.2.2" "坑外地表沉降最大值位置

不同開挖深度下的坑外地表沉降最大值出現在距離地下連續墻約10m處。分析認為，隨著開挖深度的增加，基坑內土體不斷被移除，開挖卸荷作用導致土體的應力狀態發生顯著變化。開挖越深，對周圍土體產生的擾動也越大，從而引起更大程度的地表沉降。而土體的力學性質如內摩擦角、黏聚力等影響沉降的分布，因此在固定的土體條件下，開挖深度的增加雖然導致沉降量增加，但由于土體的力學反應特性，沉降峰值的位置不會有顯著的水平方向偏移。

3.2.3" "符合規范判定

根據GB 50497—2019《建筑基坑工程監測技術標準》中有關規定，對于基坑外周邊地表豎向位移，即坑外地表沉降，不得超過35mm。文中坑外地表沉降峰值發生在第三層開挖后，約24.49mm，低于所規定控制值上限。

3.3" "坑底隆起分析

3.3.1" "隆起值與距離基坑中心位置的關系

不同開挖深度下的坑底隆起變形如圖4所示。從圖4可以看到，距離基坑中心線越近，坑底隆起值越大，基坑中心處的隆起值約為基底坑邊處的隆起值的1.7倍。分析認為，基坑開挖打破了坑底土體的力學平衡。這種力學平衡的重建往往伴隨著土體向基坑底部的側向移動，尤其是在基坑中心處，土體受力最為集中，因此隆起效應更為明顯。同時基坑中心的土體由于上方荷載的減少，會經歷更大程度的膨脹或回彈，導致隆起更加顯著。

3.3.2" "基底隆起峰值

隨著開挖深度的增加，基底隆起峰值越大，在第一層開挖完成后，基底隆起峰值為15.94mm，第二層、第三層開挖完成后，基底隆起峰值分別增長至23.28mm及32.10mm，與第一層開挖后相比，分別增長了約46.1%及101.4%。分析認為，坑內土體開挖后，坑外兩側的土體形成向坑內的主動土壓力，特別是在基坑底部，這使得坑底的土體兩端受到擠壓，從而向基坑中心處產生鼓脹趨勢，開挖深度越大，土體受擠壓程度越明顯，因此基底中心處的隆起值越大。

3.3.3" "符合規范判定

根據GB 50497—2019《建筑基坑工程監測技術標準》中有關規定，對于基坑底部回彈隆起，不得超過35mm。本分析中坑底隆起峰值發生在第三層開挖后，約32.10mm，低于規范中所規定的控制值上限。

4" "結束語

本文以某高層地下室基坑為工程背景，通過有限元分析軟件對基坑開挖過程中的地下連續墻、坑外地表以及坑底的變形特性進行了分析，獲得的主要結論如下：

在基坑開挖過程中，在地下連續墻外側土體主動土壓力的作用下，墻體的側向變形方向朝向坑內，呈現出兩端小、中間大的扭轉趨勢，變形量隨著開挖層數的增加而增大，開挖完成后的最大側移量達21.86mm；隨著坑內土體的移除，坑內外土體應力平衡被打破，坑外地表呈現出先快速增大、后逐漸減小，最終趨于平緩的沉降趨勢，且開挖深度越大，沉降峰值越大。

開挖完成后的最大沉降值達24.9mm，出現在距離基坑口約10m處；在開挖卸荷的作用下，坑底土體呈現出兩端小、中間大的隆起趨勢。隆起量隨著開挖層數的增加而增大，當基坑開挖完成后，基坑中心處的坑底隆起峰值達32.10mm。

參考文獻

[1]" 趙宏洋.FLAC3D軟件在基坑開挖模擬及支護改進的應用[J].建筑技術，2023，54（17）：2153-2156.

[2]" 董和平，董建華，吳曉磊.基于ABAQUS的咬合樁支護深基坑數值分析[J].蘭州理工大學學報，2024，50（4）：121-128.

[3]" 朱朋佳，陸達鵬，孟飛，等.深大基坑開挖對鄰近高架樁基影響的數值與實測分析[J].科技通報，2024，40（7）：62-69.

[4]" 王羽，胡東，劉恒.地鐵車站深基坑開挖支護變形全工況三維數值模擬研究[J].上海建設科技，2024（3）：45-50.

[5]" GB 50497—2019《建筑基坑工程監測技術標準》[S].