超深基坑开挖周边土体沉降变化规律数值分析

□文/杭天明 张宜佳 李 旭

超深基坑开挖周边土体沉降变化规律数值分析

□文/杭天明 张宜佳 李 旭

为缓解城市人口的增加与基础设施落后之间的矛盾，加大地下空间设施建造，首先要进行大规模土方深开挖，这就需要把基坑工程引起的周边土体沉降和土体侧移限制在一定变形值之内。文中通过对基坑开挖过程的理论分析，采用A BA Q U S软件对基坑开挖过程进行数值模拟，对模拟数据进行详细的分析，得出通过工程采用从两边向中间开挖的方法引起的周边土体沉降相对较小。

土方；深开挖；基坑；沉降

在土地资源有限的情况下，为缓和用地矛盾，天津市的建设在向地上发展的同时，不断开拓地下空间。建造这些地下空间设施，首先要进行大规模的土方深开挖，基坑工程因此成为城市建设关注的焦点。

天津的地质条件为软土性质，不利于地下工程的施工；而随着天津建设现代化大都市进程的加快，地下工程的建设项目的数量和规模迅速增多，为保护这些已有建（构）筑物的正常使用和安全运行，常需要把基坑工程引起的周边土体沉降和土体侧移限制在一定变形值之内，有关深基坑工程设计计算标准也由过去的稳定性计算变成基坑变形控制计算，以达到保护周边环境的目的。由于基坑工程大多为临时性的，在保证安全的前提下，充分利用基坑开挖过程中出现的时空效应指导施工，是一种既科学又经济的手段。

本文摘取天津在施某基坑工程各项参数，采用ABAQUS软件对基坑开挖过程进行数值模拟，对周边沉降进行对比分析，探索不同开挖过程对基坑周边土体沉降的影响。

1 数值模拟概况

天津处于沿海软土地区，基坑地下水位较高，开挖前的工程降水会引起地下连续墙（以下简称“地连墙”）内外的水位差，在动水压力的作用下，外部土体会发生一定程度的固结，这也是造成周边地面沉降的重要因素。但由于论文模型的因素，本文仅限考虑地连墙墙体的侧移对周边土体沉降的影响，没有考虑降水的因素。本文建立的数值模型，对基坑长、短边的不同位置（角、边、中），研究在不同的土方开挖方法情况下，地连墙的位移对墙外土体沉降的影响。

该工程实际基坑形状相对复杂并伴随动水压力的影响。考虑软件本身的限制，为便于分析，将基坑形状简化为矩形并忽略降水因素。整体基坑模型为大宽度长方形，基坑宽 63.5 m、长 108 m，开挖深度 24 m，逆作法施工，首层楼板下送1.8 m，-1层层高6.8 m，-2层层高6.6 m，-3层层高 8.8 m。地连墙长108 m、宽63.5 m、高50 m、厚1.2 m。土体长宽两方向均取基坑墙外40 m，土体深度取90 m。共划分单元总数61 267个。

地连墙与土体均采用8节点缩减积分实体单元（C3D8R）进行模拟，水平楼板采用壳单元(S4R)模拟，桩和柱选取梁单元（B31）进行模拟，见图1。

地连墙与土体之间定义接触，切向选取罚摩擦函数，系数为0.3；法向选取硬接触。地连墙底部与土体之间以及桩体下部建立Tie连接。模型的底部约束三个方向的位移，侧面约束单方向的位移，土体本构模型为DP模型，地连墙、支撑假定为弹性材料，具体参数见表1和表2。

表1 数值模型土体参数

表2 数值模型结构参数

基坑模型采用了分层分块开挖的方法，每层土体分五块开挖，沿基坑长边方向开挖宽度分别为20、25、18、21、24 m，见图2。分别采用从两边到中间和从中间到两边的开挖方法，以土方开挖完成的最后工况作为研究对象，对长短边方向各选取边角处、边长1/4位置处和墙体中部位置处的墙外土体沉降情况进行研究。

2 数据分析

2.1 地连墙短边方向周边土体沉降模拟计算分析

2.1.1 基坑短边边角处地面沉降分析

在开挖深度一定的条件下，地连墙短边边角处墙外土体沉降的空间时效见图3。

1）两种不同的基坑开挖方法，短边墙角处外侧的土体沉降情况相似。在0、3、10 m三个不同的深度处，土体沉降曲线为“长勺形”，最大沉降值在距离墙3 m处，相当于开挖深度的0.125倍；随着距墙体距离的增大，沉降值迅速减小，在30 m以外的距离沉降仅1 mm左右，基本上可以忽略不计，即影响范围为基坑开挖深度的1.25倍。

2）在开挖面深度（24 m）处，土体沉降值基本上稳定在3 mm以内，说明此处的土体受扰动较小。

3）在地连墙底部深度（50 m）处，土体位移值为正，而且数值较大，随着离墙距离的增大其值迅速减小。分析原因为由于基坑开挖，造成坑内土体隆起，地连墙跟着上移，由于墙外附近土体与墙体的摩擦作用，带动附近区域的土体产生较大竖向位移，随着距墙距离的增大，墙体对土体的作用迅速减小，所以土体沉降值迅速减小。

2.1.2 基坑短边中点处土体沉降分析

短边地连墙中心位置对应的地层沉降计算结果见图4。

1）在墙段中点处，两种不同的开挖方法引起的地层最大位移值在23 mm左右，0、3、10 m三个不同深度处的地面沉降曲线基本重合，24 m开挖面深度处的地面沉降最大值在距基坑7 m处，即0.292倍开挖深度处，其值为12 mm。

2）在基坑开挖面深度（24 m）处，距墙7 m范围内随着距离的增大而不断增大，随后随着距离的增大呈线性减小趋势，曲线形状也为“长勺形”。

3）在距墙40 m处地表位移值仍在5 mm左右，说明此处土体受基坑开挖的扰动仍较大，按沉降梯度推算可影响范围为64.5 m，即开挖深度的2.68倍。

2.2 地连墙长边方向周边土体沉降模拟计算分析

2.2.1 基坑长边边角处土体沉降分析

基坑长边边角处周边土体沉降的数值模拟计算结果见图5。

1）两种不同的基坑开挖方法引起的墙角处外侧的地面沉降规律相似，在0、3、10 m三个不同的深度处的沉降曲线为勺形，最大沉降值在距墙的距离为3m，即开挖深度的的0.125倍；地面沉降图基本与短边墙角处的变形图相同。

2）开挖面附近深度靠近墙的位置土体沉降值为4 mm左右，距离墙3 m处位移为1 mm左右，然后随着距墙距离的增大无明显变化；按地面沉降量曲线推算可影响范围52.3 m，即开挖深度的2.18倍，边长的0.48倍。

3）50 m深度处离地连墙近的地方土体沉降较大，为23 mm，在离墙3 m的范围内迅速减小，在7 m处又得到增加，分析认为这块地区的土体受地连墙上浮、土体挤向坑内等多方面因素的影响，条件较为复杂，所以可能导致位移值得到一定程度的增加；随着距墙距离的增大，土体沉降值迅速减小。

2.2.2 基坑长边中点处土体沉降分析

基坑长边中间处周边土体沉降的数值模拟计算见图6。

1）两种不同的开挖方法在地连墙长边中点处土体沉降规律相似，但从中间到两边开挖方法要比从两边到中间开挖方法的位移值要大，分析原因是先开挖中间土体，此处的无支撑暴露时间要远远大于先开挖两边后开挖中间的暴露时间。

2）长边中点处的最大土体沉降值为28 mm，要大于相同开挖方法处短边中点处的最大位移值23 mm，这是因为基坑短边受到的空间作用明显所造成的。

3）从两边到中间开挖方法距墙50 m距离处的土体沉降值为17 mm，仍较大，但由于模型尺寸的原因，不能较好地考虑地面沉降影响范围。按地面沉降量曲线推算可影响范围为118 m，即开挖深度的4.92倍，边长的1.09倍。

3 结论

本文基于数值模拟计算的结果，对天津市某工程实例进行数值模拟，对该工程基坑开挖过程中不同开挖方法引起的周边土体沉降变化规律进行了分析，根据以上分析得出主要结论如下。

1）墙外端角处的土体沉降最大处在距离墙体3 m左右的位置，随着空间位置的不同，地表沉降的最大值也会发生变化，在墙段中点处，地表最大沉降值发生在距墙7 m左右的位置，这主要是由于端角处地连墙受空间作用明显所致。

2）在10 m深度范围内，不同的土方开挖方法引起的墙外土体沉降值基本相同，随着深度的增加，位移值会有所变化，在开挖面附近，墙角处的土体沉降为正值，随着距墙角距离的增大，由于所受基坑空间作用的减弱，土体沉降会变负值并且会越来越大。沉降曲线也为长勺状，但比10 m深度范围内的数值要小。

3）在地连墙底部（50 m深度处），靠近地连墙位置处的土体沉降会有一个较大数值，分析原因是由于受地连墙上浮的影响，由于土跟墙体之间的摩擦等因素，带动此区域的土体上浮，但随着距墙距离的增大，土体沉降值会迅速减小。

4）对比两种不同的土方开挖方法，在墙体短边方向，引起的地面沉降值在短边方向基本相同，但从两边到中间开挖引起的50 m深度处的土体沉降减小的速率要大于从中间到两边开挖引起的数值变化；在墙体长边中部位置处，由于基坑的空间增大减小了基坑的空间作用，对比两种开挖方案引起的墙外的土体沉降值，从两边到中间开挖更优。

5）在同等条件下，基坑各边墙后土体变形规律相同，均为“长勺形”；基坑边长越长，地面沉降量越大，影响距离越远。

6）地面沉降最大值在距基坑0.1～0.3倍的开挖深度范围内；影响范围是2～4倍的开挖深度范围，相当于0.5～1.1倍的地连墙边长。

通过分析表明该工程采用从两边向中间开挖的方法引起的周边土体沉降相对较小，该工程基坑开挖引起周边最大沉降出现在基坑周边10 m范围内，影响范围约为96 m，在此区域内周边建筑物应做相应的沉降观测并对基础较薄弱建筑应做防护处理。

[1]吴晓娜.深基坑支护结构的三维空间变形有限元分析[J].路基工程，2009，（5）：168-170.

[2]刘爱华，黎 鸿，罗荣武.时空效应理论在软土深基坑施工中的应用[J].地下空间与工程学报，2010，（3）：137-142.

□张宜佳/天津滨海黄港实业有限公司。

□李 旭/天津城市建设学院。

TU753

C

1008-3197（2012）06-03-03

2012-06-14

杭天明/男，高级工程师，天津滨海黄港实业有限公司，从事工程技术管理工作。