软土地区不同支护方案基坑变形规律研究

吴开元 段 颖 杨 科

（山东汇友市政园林集团有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

基坑开挖过程中，由于开挖造成土体原有应力状态发生改变，应力重分布过程中导致土体结构发生变形，主要表现为基坑周边土体沉降、围护结构水平位移以及坑底隆起等3种变形形式。为保证基坑施工安全，选择合适的支护方案十分重要，因此研究基坑支护方案的支护效果是有必要的。以纵支八路桥涵基坑为工程背景，通过数值模拟的方法，对3种支护方案下基坑结构变形和土体变形进行分析，并结合现场监测结果总结基坑变形规律。

1 工程概况

纵支八路位西起空天花园横一路，东至房晨路，道路全长4.5km，规划为城市快速路，道路红线宽100m，双向十二车道，其中桥涵长1568m。场地地勘报告如下：

（1）第四系全新统人工堆积：素填土，海积淤泥质黏土，冲洪积淤泥质黏土、细砂、中砂，第四系上更新统淤泥质黏土、粉质黏土、细砂、粗砂、砾砂、圆砾，花岗岩残积砾质黏性土；

（2）第四系全新统冲积层：粉土，粉质黏土，含有机质黏土；

（3）第四系全新统冲洪积层：粉质黏土，粉土，粉质黏土，细沙；

（4）第四系更新统冲洪积层：粉质黏土，浅棕黄色，可塑，局部硬塑，含铁锰氧化物，少量姜石，局部黏性含量较高为黏土，该层仅在两座桥梁附近揭示。

2 基坑监测点布置

在施工过程中地表建筑物的下沉、倾斜、开裂可以判断建筑物的安全性，并可判断支护措施的强度、刚度、稳定性[1]，因此对基坑和周边建筑的变形进行监测。基坑周边沉降利用精密水准仪监测，在基坑周边布置测点，通过观测测点数值来判断周边地表建筑物的下沉量及倾斜情况，并根据实际情况采取相应的纠偏加固措施。水平位移通过高精度激光测量仪进行观测，根据基坑大小、深度、周围建筑物管线分布情况及结构类型与荷载分布综合确定测点。

建筑物的测点应先在坚实基础上钻眼，将沉降观测钉置于特定位置，做好标记，之后用与原建筑材料同配比水泥浆或水泥砂浆填实，位置选取一般在通视较好的位置，便于观测，并做好测点保护工作。基坑测点在基坑开挖前布置，位置选取在红线范围外、靠近基坑选取不同距离设置[2]。因支护结构方式不同，围护结构水平位移监测点埋设方法也有所不同。放坡开挖与喷锚支护的支护结构采用土体钻孔的方法埋设测斜管；钢板桩支护在桩顶用冲击钻打孔，将水准钉埋设到指定位置处；沉降监测点可以将水准钉浇筑在指定位置。

测点的布置应满足在能反映结构变形的基础上，做到测点少而精，做到精简成本、便于监测记录，减少布点对基坑和周边建筑物的影响。根据以上原则，基坑测点布置如图1所示。

图1 基坑测点布置示意

3 基坑变形数值模拟

3.1 模型建立

利用ABAQUSER 软件建立基坑模型进行变形分析[3]，对桥涵基坑3种支护工况分别建模，分析不同围护结构下基坑变形规律。建立模型的水平方向为X方向，竖直方向为Y方向。综合考虑基坑变形影响范围，X方向取150m，Y方向取原地面标高以下100m。模型的左右侧边界处施加X向位移约束，坑底边界施加X、Y双向约束，忽略其余因素，认为基坑为对称结构[4]。同时考虑施工便道、坑边堆载及动载对基坑稳定性影响，施加20kPa的坑边超载。采用三角形十五节点单元进行模型划分，模型及网格划分如图2所示，计算模型共划分为1266个单元，9618个节点。

图2 计算模型及网格划分

3.2 基坑变形计算结果分析

放坡明挖无任何支护条件下，基坑周边沉降及坑底隆起计算结果云图如图3所示。

图3 无支护条件下基坑周边沉降及坑底隆起云图

由图3可以看出，基坑在无任何支护措施时，无论地表沉降还是坑底隆起，变形数值都比较大，尤其是坑底隆起，最大值已经接近120mm。还可以看出，土体开挖过程中，基坑开挖土体后土体应力发生改变，由于基坑周边土体应力得到释放，土体向基坑开挖侧方向移动，呈现基坑周边地表沉降，越远离基坑，地表沉降越小的规律[5]。

根据数值计算结果，不同工况下地表沉降及坑底隆起如图4所示，各工况坑底隆起极值及位置见表1所示，各工况沉降极值及位置见表2所示。

表1 各工况坑底隆起极值及位置

表2 各工况沉降极值及位置

图4 不同工况地表沉降及坑底隆起曲线

由图4、表1、表2可以看出，与坑壁距离越远，地表沉降越小，最后无限接近于0，说明基坑开挖对周围建筑物及管线的影响是有限的。在满足安全的条件下，基坑开挖对地表的影响范围区间为距离坑壁[6]（0，100m）。3种工况中，钢板桩支护条件下，地表沉降最大值约为23.941mm，距离坑壁越远，沉降差越小[7]；放坡开挖锚喷支护条件下最大沉降差达到32.695mm；放坡开挖无支护条件下地表沉降最大，其极值达到36.043mm。坑底隆起总体趋势呈波浪型曲线分布，这是由于本地区地下水位高，土层中含有磐石，建模时对有磐石区域单元施加约束，因此坑底隆起模拟结果呈现波浪形。钢板桩支护条件下，坑底隆起最大值为30.84mm，最小值接近1.02mm；放坡开挖锚喷支护条件下，坑底隆起最大、最小值分别为67.54mm，2.17mm；放坡开挖无支护条件下，坑底隆起最大，极值分别为120mm，3.28mm。

4 模拟结果与监测结果对比

由于监测点较多，选取具有代表性的模拟与监测数据，不同工况下数值模拟结果与现场监测结果对比如图5所示。

由图5可知，模拟结果整体要比监测数据大，但差距不大，说明模拟结果有一定的安全储备[8]，且整体趋势和实际工程中较吻合，证明了模型的可靠性。随着基坑的开挖，隆起量越来越大；钢板桩支护条件下，基坑开挖时坑底隆起值最大在2.2mm左右，在1～2mm居多；锚喷支护条件下，随着开挖的进行，隆起值逐渐增大，最大值在8mm左右，并且随着开挖的进行，隆起起伏也增大。无支护开挖时，距坑壁10～15m的位置坑底隆起起伏最大。5结束语采用数值模拟与现场监测结合的手段，对纵支八路桥涵基坑3种支护条件下基坑开挖引起的变形规律进行分析研究，得出以下结论：

（1）根据数值模拟计算结果，无论基坑周边沉降值还是坑底隆起值，均是无支护时最大，锚喷支护条件下次之，钢板桩支护条件下最小。

（2）基坑周边沉降随着基坑开挖土体卸荷逐渐增大，最后趋于稳定[9]；随着距离基坑坑壁越远，基坑开挖对周边土体的影响越小，最后趋向于0。

（3）无论哪种支护方案，桥涵基坑变形规律存在时效性：根据监测结果，各测点的沉降及隆起速率随着开挖暴露的时间越长而逐渐增大，最后趋于稳定。距离坑壁越远，沉降值越小[10]，基坑开挖对基坑周边影响距离约为100m。

（4）从现场监测数据与模拟值对比可以看出，不同支护方式下基坑变形规律有所不同，在土质不好的前提下，优先选用钢板桩支护，此时基坑变形最小，最稳定，施工最安全。

以上结论对以后软土地区基坑施工中选择支护方式、控制结构变形有一定指导意义，可为类似工程地质条件下的基坑支护提供技术指导。