圆形基坑平面尺寸效应对软土开挖变形的影响

芮海升

（同济大学 上海 200092）

引言

圆形基坑具有充分利用土拱效应、易于控制基坑变形而无需架设临时支撑、整体稳定性好等特点，使得其在软土地区的基坑工程实践中得到越来越广泛的应用。

基于上海软土地区实践，Tan和Wang（2013）发现，对于无支撑圆形基坑，其开挖变形主要受基坑直径影响。现阶段针对圆形基坑的研究多关注于基坑开挖深度的影响而往往忽略了基坑平面尺寸效应。

本文以上海软土地区的圆形基坑为研究对象，采用三维数值模拟变参数分析方法研究了在不同基坑尺寸情况下圆形围护结构变形及周围土体沉降性状。

1 数值模型及参数验证

1.1 数值模型及参数

本文采用FLAC3D软件，确定变参数分析中采用的模型参数，然后进行基坑平面几何尺寸、开挖深度的变参数三维数值模拟。

上海地区是典型的软土地区，本文研究的土层参数取自上海某地铁车站工程的岩土勘察报告，如表1所示。土体的本构模型选用了FLAC3D软件中内置的修正剑桥模型，所需的主要参数根据表1及经验公式计算得出，泊松比v取0.33。圆形基坑围护结构采用地下连续墙，弹性模量E=2.8×104MPa，泊松比 μ=0.2，厚度取 0.8m，插入比取 0.6。

表1 土层物理力学参数

1.2 模型参数验证

考虑到基坑形状以及荷载的对称性，本文的所有模型均是采用如图1所示的全尺寸模型的1/4模型。

本文选取的验证模型平面直径D=100m，开挖深度He=30m。模型侧向边界距离基坑边的长度为6倍的开挖深度，底部边界距离基坑开挖面的高度为3倍的开挖深度。模型的四个侧面为位移边界，限制水平位移但允许竖直位移；底部为固定边界，限制水平与竖直位移；顶面为地表，取为自由边界。土体采用实体单元模拟，地墙采用线性单元模拟，同时在地墙与土层间建立接触面来模拟两者间的相互作用。

图2对比了数值模拟地墙侧移与两组实测数据，两者变形规律基本一致，其最大位移值也基本相同。在此对比验证的基础上，下面将变参数分析研究圆形基坑开挖尺寸效应。

2 圆形基坑的平面尺寸效应

对于本节中的圆形基坑，以其直径D及开挖深度He作为可变参数进行分析，其中D与He的变化范围分别为10～180m与10～30m。

图2 数值模拟地墙侧向位移与实测值对比图

2.1 围护结构侧移性状

本节利用数值模拟得到了在某一开挖深度下不同直径的圆形基坑的地墙侧移随深度的变化情况。可以发现，在不同的开挖深度条件下地墙侧移随直径变化规律基本一致，以He=20m下不同直径圆形基坑围护结构侧移变化情况为例，如图3所示。

图3 He=20m时各直径圆形基坑围护结构侧移

（1）围护结构最大变形位置

由图3可以看出，在同一开挖深度的前提下，圆形基坑围护结构最大侧移位置随着直径的增加而上移，且均在开挖面之上。图4为各开挖深度下围护结构最大侧移深度位置与基坑直径的关系。可以看出，图4验证了上一条结论，但是开挖深度越小，最大侧移位置的上移幅度随直径的增加越不明显。同时，在同一直径的前提下，圆形基坑围护结构最大侧移深度位置随着开挖深度的增加而增加。

图4 各开挖深度下，围护结构最大侧移深度位置与基坑直径的关系

（2）围护结构最大侧移值

图5表示的是圆形基坑围护结构最大侧移值与开挖深度之间的关系，在本文研究范围内，圆形基坑围护结构的最大侧移值小于0.15%He。包络线（1）和（2）分别是 Hashash等人（2008）及 Tan和 Wang（2013）总结出的圆形基坑最大侧移率范围。对于线（1），当圆形基坑开挖直径大于100m时，两者的范围较为符合。从图5还可以发现，当圆形基坑平面开挖直径较小时，基坑的开挖深度的变化对其围护结构最大侧移值几乎没有影响，而当开挖直径较大时，随着开挖深度的加大，围护结构最大侧移值逐渐增加并且开挖直径越大、增加幅度越明显；对于在同一开挖深度的条件下，随着开挖直径增大，围护结构最大侧移值逐渐增大，即使在较小的开挖深度下，这种增大幅度也较为明显。以上结论说明，圆形基坑围护结构最大侧移值的主要影响因素是开挖直径，其次为开挖深度。

图5 圆形基坑围护结构最大侧移与开挖深度的关系

2.2 周围土体沉降性状

同2.1节的变参数分析相同，得到了某一开挖深度下不同直径圆形基坑墙后土体沉降随离开基坑距离的变化情况，以开挖深度He=20m的情况为例，如图6所示。可以看出，随着基坑直径的增加，墙后地面沉降逐渐增大且沉降呈现凹槽形态。进一步研究发现，墙外土体的沉降量并不是随直径的增加而线性增加，而是增加率越来越大，这反映了随着基坑直径的增加，圆形基坑抵抗变形的能力在逐渐丧失的。

图6开挖深度He=20m时各直径圆形基坑墙后土体位移

图7 为圆形基坑墙后地表沉降形态图，图中横轴为离开基坑边的距离d与基坑开挖深度He之比，纵轴为墙外土体沉降值δv与墙外最大土体沉降值δvm之比。从图中可以看出，圆形基坑墙后地表沉降形态在不同开挖深度与直径情况下，变化幅度并不明显，最大沉降一般出现在墙后1/3He～2/3He位置处，基坑开挖的主要影响范围集中在墙后2He范围之内。

本文所研究的圆形基坑墙后沉降曲线与Clough和O'Rourke（1990）针对软至中硬粘土以及Tan和Wang（2013）针对上海软土得到的影响范围统计结果比较接近，但是远小于Hashash等人（2008）提出的开挖影响范围。

图7 圆形基坑墙后地表沉降形态

3 结论

在同一开挖深度的前提下，圆形基坑围护结构最大侧移位置随着直径的增加而上移，且均在开挖面之上，但是开挖深度越小，最大侧移位置的上移幅度随直径的增加越不明显；在同一直径的前提下，圆形基坑围护结构最大侧移深度位置随着开挖深度的增加而增加。在本文研究范围内，圆形基坑围护结构的最大侧移值小于0.15%He（He为基坑开挖深度）。

圆形基坑墙后地表沉降形态在不同深度与直径的情况下，变化并不明显，最大沉降出现在墙后1/3He～2/3He距离处，基坑开挖影响范围主要集中在墙后2He范围之内。在本研究中，圆形基坑的最大坑外土体沉降值小于0.12%He。