淤泥深基坑开挖下土体的变形特征

严佳捷，樊秀峰,2，吴振祥,2

(1.福州大学 环境与资源学院， 福建 福州 350108; 2.地质工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350108)

我国的东南沿海如滨海地带、长江三角洲、珠江三角洲等区域广泛分布着特定沉积环境下形成的深厚淤泥土层[1-2]，其淤泥层的厚度可达30 m，埋藏深度一般在2 m～20 m之间[3]。由《岩土工程勘察规范》[4](GB 50021—2001)可知淤泥是一种在静力、缓慢流水环境中形成的以细颗粒为主的软土，这类沉积物的天然孔隙比一般大等于1.0，具有低强度、高压缩性、易蠕变、高含水率等的物理力学特性。由于淤泥类软土强度低、灵敏度高，在工程建设中作为建筑地基一般表现出软弱、不稳定和易破坏的特性，在深厚淤泥发育地区常发生较大的变形(不均匀下沉以及滑动等)导致地基或边坡失稳的工程灾害，威胁着人民的生命财产安全。伴随着经济的发展与城市建设用地的限制，淤泥深基坑的工程项目越来越多，深厚淤泥层基坑开挖、维护涉及的问题存在高复杂性和不确定性[5-7]，其中深基坑工程的围护结构(支撑刚度、施加轴力、围护体嵌固比等)对施工过程中基坑的应力、应变的改变起到关键作用[8]，因此，有必要开展淤泥深基坑开挖过程中围护结构与土层的变形特征的研究。

迄今为止，国内外学者通过工程实践、数值模拟等方法围绕基坑开挖过程、围护结构方式、周边环境等进行了大量研究[9-10]，但针对淤泥深基坑开挖过程中围护结构与土层变形特征的研究内容仍比较有限，因此，本文以长乐某淤泥深基坑的工程项目为例，通过工程实例监测数据的分析以及小应变刚度土体硬化本构模型(简称HSS模型)、摩尔-库仑本构模型(简称MC 模型)数值模拟支护结构在开挖过程中的方法开展淤泥深基坑开挖过程的变形破坏特征研究。

1 工程概况

工程拟建埋深约5.2 m(从室内正负零起算)的地下室，地势总体较平坦，基坑的平均开挖深度为2.95 m～5.00 m，基坑周长约430 m。场地属乌龙江Ⅰ级阶地地貌单元，根据地质勘察得到影响基坑开挖的岩土层由上至下主要为①粉质黏土(Q4al+pl)、②淤泥(Q4m)与③粉质黏土(Q4al+pl)，且后期因场地南侧(即剖面14-14′位置)道路施工，于粉质黏土层上分层碾压回填的素填土层，厚度约1.5 m～3.5 m，通过室内试验确定岩土体的物理力学性质见表1，勘察期间综合水位埋深为0.1 m～0.8 m，位于①粉质黏土层。

表1 基坑开挖岩土体指标参数

2 基坑变形监测

2.1 围护结构形式

基坑工程围护结构为复合型，包括基坑侧壁采用的排桩、扩头锚、水泥土墙、坑内加固以及基坑上部放坡的支护形式，在坡顶、坡脚分别设置截水沟和排水沟，坡面设泄水管以减少侧向水压力，整体支护形式见图1。

图1 围护结构整体平面、剖面示意图

2.2 基坑监测概况

为基坑工程预警做好实时监控，在基坑周边布置监测点，基坑围护结构变形可以分为水平变形、竖向变形，所以监测内容主要包括深层水平位移监测(围护桩)、基坑坡顶位移监测。基坑工程监测工作贯穿于地下工程施工的全过程，监测时间段从基坑围护桩开始施工(工况1)、基坑局部开挖(工况2)、局部底板浇筑结束的后续变形监测(工况3)共历时95 d，期间进行实时记录反馈。

本基坑工程施工过程中，南侧基坑(14-14′剖面)开挖后发生较大变形，路面发生沉降及位移超过预警值，因此取14-14′剖面附近的监测情况进行分析，监测点布置图见图2。

图2 基坑14-14′剖面监测点布置图

2.2.1 深层水平位移监测

选取截面位置的C6、C8作为基坑东侧与南侧的代表监测点(见图2)进行分析，按照上述所提及的基坑施工开挖过程时间段分为3种工况，各位置的监测情况有所不同，但大体位移趋势一致，通过监测数据分析可知支护结构位移量随深度变化呈现先小幅增大再减小的现象，至开挖后期(工况3)深层位移曲线出现由上至下呈现“弓型”形态(见图3)，其中曲线突出部分的上方因锚杆约束作用降低了位移变化量。由图3可知，C6与C8测斜孔最大累计水平位移分别超过100 mm、400 mm，围护桩变形量极大，已超出预警，由于C8基坑坡顶堆载素填土对应的水平位移从基坑局部开挖(工况2)开始表现出较大的位移变形且水平位移大于C6位置监测位移，说明围护桩强度、周边堆载情况对深厚淤泥层基坑稳定有严重影响。

2.2.2 基坑坡顶位移监测

选取截面位置的J15、J16、J17、J18作为沉降观测点(见图1)各监测点观测得到的沉降位移随时间的变化曲线见图4。由图4可知，同一侧邻近位置开挖地层相近的且围护结构统一的工况下仍存在差别较大沉降位移，最大位移超过400 mm，沉降值超出预警值。其中沉降主要变形发生在基坑局部开挖的过程，说明低强度的淤泥土层为严重变形的主导因素，由于南侧道路施工后期场地上覆厚度不一的大面积填土，导致下部淤泥转变为强度更低的欠固结土，其中J15、J16位置的填土厚度不同对应的加载不同，反映对淤泥强度的变化情况的影响程度，除了上覆土层厚度外相应的支护设计刚度的大小也为出现整体较大位移变形的重要原因。

图3 监测点各工况下不同深度的水平位移

图4 各监测点的沉降位移随时间变化的曲线

3 有限元数值模拟

现场监测花费的时间、金钱成本高昂，有限元方法比监测简单且计算成本小，能够较有效地模拟复杂地质条件下的基坑开挖、土体与支护结构的变形破坏特征等，可广泛应用到土体稳定性分析与基坑开挖变形影响参数的评估分析[11-12]。土层本构模型的合理选用为有限元数值模拟结果准确的关键因素之一，本文选用基坑开挖分析中常用的MC模型和HSS模型来模拟深厚淤泥基坑工程的变形特征，通过两类模型模拟结果的对比分析，确定适用于深厚淤泥土层的数值模型并分析土体与围护结构的变形特征。

3.1 模型参数

MC模型参数少相对简单，能较描述土体的破坏特征，具体模型参数见表2。

表2 MC模型土体物理力学参数

表3 HSS模型土体物理力学参数

3.2 数值模型

对基坑的14-14′剖面进行二维建模(见图5)，周围土体影响区域取基坑深度的3倍以上，模型长、宽分别为83 m×27.5 m。建模土层由上至下分别为素填土(2.1 m)、①粉质黏土(1.24 m)、②淤泥(17.5 m)、③粉质黏土四层，土体左右两侧约束水平位移，底部固定约束，按照基坑施工原则分层分段开挖(土层开挖小于2 m，淤泥地层开挖小于1 m)。

图5 有限元模型网格划分图

3.3 计算结果分析

3.3.1 围护结构的深层水平位移

鉴于基坑开挖变形量较大，对基坑开挖过程中围护结构周边土体的变形破坏的工况进行数值模拟对比分析，模型模拟与实测的深层水平位移结果见图6。其中曲线1、曲线2分别代表淤泥土层开挖前后的侧向位移变形情况，曲线3代表基坑开挖结束后的最终侧向位移，由图6可知，实测曲线与模型曲线3的趋势相近，水平位移随深度呈现“弓型”变化特征，HSS模型的模拟结果更贴近实际位移，MC模型模拟结果偏大与实际位移相差较多，所以HSS模型比MC模型更适合深层淤泥深基坑的模拟，与管飞[17]提出HSS模型是一类适用于软土基坑的本构模型的结论相符。

图6 围护结构侧向位移随深度变化曲线

由于深厚淤泥土层在开挖过程中会发生严重的流泥现象，易导致土体大位移变形，所以淤泥土层开挖前(曲线1)后(曲线2)的侧向位移增量较大，与淤泥土层的开挖过程发生主要位移变形相符。

3.3.2 基坑外的土体沉降

基坑开挖过程的外部沉降数值模拟结果如图7与图8所示，MC模型、HSS模型沉降变化与实测曲线趋势一致，拟合程度较高，其中MC模型的沉降位移数值偏大，表示基坑开挖发生破坏位移量较大处的工况。HSS-1、HSS-2、HSS-3分别表示采用HSS本构模型模拟淤泥土层开挖前后与基坑开挖结束后的沉降位移的变化，其中沉降位移总体随离基坑边的距离先增大后减小，呈开口向上的抛物线状，MC模型开挖淤泥土层前后的位移变化量远大于HSS模型。

图7 沉降位移随时间变化曲线

图8 基坑外土体沉降位移变化曲线

4 结 论

(1) 淤泥深基坑开挖过程的围护结构的水平位移由于支护结构锚杆作用导致上部位移变形量减小，随深度呈现“弓型”特征分布。沉降位移随离基坑边的距离增大呈开口向上的抛物线状。

(2) 基坑开挖变形主要发生在淤泥层开挖阶段，深厚淤泥土层基坑开挖过程常伴随流泥现象。其中淤泥土层强度、顶部加载以及支护设计刚度为影响深厚淤泥土层基坑开挖过程变形量的大小的主要因素。

(3) HSS本构模型相对于MC模型能较好地拟合深厚淤泥层的变形特征。