深基坑及围护结构变形特性研究

2022-11-29刘杨

地下水 2022年6期

刘杨

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东深圳 518100)

0 引言

基坑开挖通常会引起地表及支护结构产生变形，严重时甚至会引起较大的工程事故。随着我国基础建设的增多，涉及到基坑开挖的工程也越来越多，因此深入研究基坑开挖以及所引起的地表和围护结构变形特征具有重要的工程意义。既有许多的学者主用通过现场监测数据的统计分析手段对基坑开挖引起的变形开展研究。李淑[1]等统计了北京地区37个明挖顺作法基坑开挖引起的墙体变形规律表明，围护结构的最大侧移随插入比、支护体系刚度的增大而减小。吴锋波[2]等研究了北京市轨道交通80个明挖顺作法基坑工程引起的地表变形表明，基坑工程周边地表最大变形的实测结果分布形态为正态分布或半整体分布。徐中华[3]等研究了软土地区80多个钻孔灌注桩的变形规律表明，桩的最大侧移等于0.1%～1.0%倍的基坑开挖深度。王卫东[4]等收集了上海35个基坑工程的地表沉降实例，统计结果表明，最大沉降值随开挖深度的增大而增大，平均值为0.38%倍的基坑开挖深度。李方明[5]等采用理论和经验公式法研究了悬挂式帷幕基坑变形规律。结果表明，悬挂式帷幕基坑地表沉降曲线呈凹槽形。乔亚飞[6]等分享了无锡轨道交通车站基坑的变形资料，表明，围护结构的最大侧向变形及平均侧向变形分别为0.05%H～0.25%H和0.12%H。

综合目前的研究成果发现，关于基坑开挖引起的围护结构和地表变形规律没有得到统一的认识，工程技术人员对于基坑的变形特性有待提高。本文基于基坑的变形实测数据进行分析，研究了围护结构及地表沉降规律，研究成果可为相关工程提供实践指导。

1 工程概况

研究区地处河漫滩和一级阶地位置。地层特性明显，上部以填土、粉质黏土为主；下部主要由砂层构成。由于砂层的厚度较大，在进行维护结构设计时，采用悬挂式止水帷幕进行止水。

表1为研究区11个基坑的围护设计形式及基坑开挖深度等参数汇总结构。表明，主体基坑的开挖深度主要集中于17 m，最大开挖深度为24 m。分析各基坑的嵌入比发现，研究区基坑围护结构的嵌入比平均值为0.5左右。

表1 围护结构参数

2 数值模型

2.1 模型建立

基于MIDAS数值软件的GTS模块进行建模与计算。计算采用二维平面模型进行。开挖深度游三种，分别为分11 m、17 m和24 m。每个深度设置的嵌入比分别为0.35/0.50和0.65。模型中黏性土采用修正的剑桥本构模型[7]，砂土采用摩尔-库伦模型[8]，土体的力学参数见表2[9]。数值模拟中，土体、围护结构以及支撑分别采用面单元和梁单元模拟。围护结构和支撑均为弹性体。其中混凝土弹模设为30 000 MPa，钢材弹模设为200 000 MPa，泊松比为0.21。

计算过程中首先在重力作用下进行迭代，模拟初始应力状态。根据工程的实际工程施工步骤设置不同工况为：(1)围护结构施工；(2)基坑降水；(3)开挖并设支撑；(4)浇筑混凝土砼底板。

表2 岩土体物理力学参数建议值

2.2 计算结果分析

2.2.1 围护结构侧向变形

图1给出基坑开挖变形图。其中，L、H、l、δhm、Hm、δvm、δv及d参数代表的含义见图所示。

图2汇总得到了不同模型中的围护结构变形结果。表明，在开挖深度分别为11 m(图2(a))、17 m(图2(b))及24 m(图2(c))工况下，围护结构的侧向变形最终呈现出典型的向坑内的“凸型”。且顶部和底部侧移较小。导致出现这种现象的主要原因是由于开挖顺序引起的。如基坑工程的工序一般是先开挖至某一标高，在设支撑。随着开挖深度的增加围护结构逐渐向坑内侧移，形成“凸型”。

图1 基坑开挖变形图

图2 围护结构侧移图

图3(a)绘制出了围护结构最大侧向位移随开挖深度的关系。结果表明，在嵌入比相同的情况下，最大侧向位移随开挖深度的增加不断增大，且近似为线性关系。图3(b)表明，当基坑开挖至一定深度时，嵌入比越大，最大侧移越小。根据本文计算结果，研究区的嵌入比为0.5时，δhm/H≤0.15%，可以有效控制围护结构变形，满足规范安全性要求。

图4汇总得到围护结构最大侧向变形对应的深度与基坑开挖深度之间的关系。结果表明，在相同的嵌入比情况下，随基坑开挖深度的增大，围护结构的最大侧移对应的最大深度也随之增大。当嵌入比等于0.5时，Hm/H介于0.68～0.75。当开挖深度一定时，嵌入比越大，Hm/H越小。

图3 不同嵌入比下最大侧向位移量与基坑开挖深度关系

图4 不同嵌入比下最大侧移的深度与基坑开挖深度关系

2.2.2 地表变形规律

图5汇总得到基坑周围地表沉降曲线。结果表明，在开挖深度分别为11 m(图5(a))、17 m(图5(b))及24 m(图5(c))工况下，沉降曲线呈现典型的“凹型”，沉降范围介于基坑外侧0～3.5 H，地表沉降随距离增大而迅速减小。当1.0

图5 地表沉降曲线示意图

图6得到了地表的最大沉降值随基坑开挖深度间的相互关系，结果表明，当开挖深度一定时，嵌入比越大，沉降量越小，也即约束作用越强。对本文研究区而言，当嵌入比等于0.35、0.5和0.65时，δvm/H分别等于0.24%、0.16%和0.1%。

图6 地表最大沉降值与开挖深度关系

3 统计分析

3.1 围护结构侧向变形

统计了11个基坑围护结构变形数据进行分析，得到最大侧向位移与基坑开挖深度的关系如图7所示。结果表明；(1)结构的最大侧向变形与开挖深度的比值一般介于0.06%～0.18%；(2)最大侧向位移于开挖深度的关系基本呈线性增大的趋势；(3)在所有统计数据中，大于

90%以上数据的δvm/H≤0.15%，因此研究区基坑的围护结构变心控制最大值可建议为0.15%H。

图8汇总得到了围护结构最大侧向变形对应的深度与开挖深度之间的关系。结果表明，Hm/H介于0.6～1.1。围护结构最大侧向位移对应的深度一般为位于基坑底部以上的1～3 m处。

图7 最大侧移与开挖深度拟合式图8 最大侧移深度与开挖深度拟合式

图9 地表最大沉降量与基坑开挖深度拟合式

3.2 地表沉降

基于现场实测数据，本文汇总得到了基坑周边地表沉降值与基坑开挖深度间的相关关系如图9所示。结果表明：(1)随开挖深度增大，地表最大沉降量呈线性增大趋势；(2)最大沉降量与开挖深度比值一般为0.11%～0.33%；(3)在所有的统计数据中，δvm/H≤0.25%的数据占全部的90%以上。因此，研究区地表沉降最大控制值为0.25%H。