软土深基坑降水开挖变形分析

2024-05-10赵逸博郑晓东李斌付建宝阮浩东沈一鸣

河南科技 2024年5期

赵逸博郑晓东李斌付建宝阮浩东沈一鸣

摘要：【目的】研究軟土深基坑降水与开挖对支护结构及周边环境的影响。【方法】以深圳某地铁深基坑工程为例，运用ABAQUS有限元软件建立三维基坑模型，分析深基坑降水与开挖对支护结构、临近地表与建筑物沉降变形的影响，同时将监测数据与模拟结果进行对比分析。【结果】结果表明：地下连续墙水平变形呈抛物线形，基坑中部水平位移变形较大，底部位移变形小；临近地表沉降位移呈现先增大后减小的趋势，地表与建筑物沉降变形均在控制范围内；基坑开挖后中部支撑轴力最大，基坑开挖变形结果与实际监测值一致。【结论】通过分析基坑变形规律，为今后软土深基坑降水及开挖研究提供参考。

关键词：深基坑工程；流固耦合；支护结构变形；地表沉降

中图分类号：TU94+1 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）05-0047-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.05.010

Deformation Analysis of Dewatering Excavation of Deep Foundation Pit in Soft Soil

ZHAO Yibo1，2 ZHENG Xiaodong1 LI Bin2，3，4，5 FU Jianbao2，3，4，5 RUAN Haodong1，2 SHEN Yiming1

（1.School of Water Resources and Hydropower of Hebei University of Engineering， Handan 056001，China; 2.CCCC Tianjin Harbor Engineering Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 3.CCCC First Navigation Engineering Bureau Co.， Ltd.， Tianjin 300461，China; 4.Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering Technology and Transportation Industry， Tianjin 300222， China; 5.Key Laboratory of Port Geotechnical Engineering Technology in Tianjin， Tianjin 300073，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the impact of dewatering and excavation on the support structure and surrounding environment of soft soil deep foundation pits.[Methods] Based on a subway deep foundation pit project in Shenzhen， a three-dimensional foundation pit model was established using ABAQUS finite element software to analyze the impact of dewatering and excavation on the settlement and deformation of the support structure， adjacent surface and buildings. At the same time， monitoring data and simulation results were compared and analyzed.[Findings] The results show that the horizontal deformation of the slurry wall is parabolic， the horizontal displacement in the middle of the foundation pit is large， and the bottom displacement is small; the settlement displacement near the surface shows a trend of first increasing and then decreasing， and the settlement deformation of both the surface and buildings is within the control range; After the excavation of the foundation pit， the axial force of the middle support is the highest， and the deformation results of the excavation are consistent with the actual monitoring values.[Conclusions] By analyzing the deformation law of foundation pits， reference is provided for future research on dewatering and excavation of soft soil deep foundation pits.

Keywords： deep foundation pit engineering; fluid-structure interaction; deformation of support structure; surface subsidence

0 引言

随着城市建设的发展，地铁车站等大型基坑工程不断涌现，由于部分基坑横向长度较长，基坑的横纵比大于5。在施工期间当水平方向长度远大于竖直方向高度时，基坑长边更容易发生水平位移变形和水平应力增大，容易引发基坑滑动或坍塌的情况，且深圳地区土壤含水分较多，因此在深基坑开挖时需要重点关注长边变形影响，并制定相应的支护结构方案，以确保基坑施工的安全顺利进行。在深基坑施工过程中，由于对深基坑变形控制程度的研究不足，易对支护结构造成不利影响［1-3］。基坑开挖会造成支护结构的内外出现应力不均的情况，这使得支护结构容易发生水平方向的变形［4-5］，同时基坑支护结构与底部土体变形也会导致周边土体产生位移，从而对基坑产生影响。随着基坑开挖深度的增加，地下水对基坑开挖与支护结构影响加大，在施工过程中降水引发地下水位变化导致基坑产生渗流附加应力，进一步导致土体应力重分布［6］，这将使基坑的支护结构难以控制，因此研究开挖与降水对软土深基坑的影响具有重要价值。

近些年来众多学者对深基坑开挖变形进行了较多的研究，王有旗等［7］采用Midas GTS NX软件对基坑开挖、降水等引起基坑围护结构变形的规律进行深入研究和分析。周守强等［8］利用FLAC3D软件模拟深基坑三维流固耦合降水开挖，分析潜水区深基坑降水与开挖引起的下卧隧道内力和变形变化机理。邱居涛等［9］采用新简化分析方法，研究相邻基坑开挖卸荷引起的既有地铁隧道纵向变形，分析层状土和均质土开挖卸载对隧道附加应力的影响。陈志伟等［10］采用Midas-GTS軟件，分析开挖和降水对邻近既有地下隧道的影响，研究表明基坑降水会造成周围土层地下水向坑内渗流，且具有明显的空间差异性。

综上所述，由于对软土地区深基坑的研究并不完善，因此有必要对基坑降水与开挖变形影响规律进行进一步分析。本研究以深圳市某地铁深基坑工程为例，并借助有限元模拟软件ABAQUS建立考虑地下水影响的流固耦合三维基坑模型，对比分析不同开挖深度支护结构的变形影响，以期为类似工程的设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 基坑概况

该基坑位于深圳市某地铁站，采取明挖法进行施工，基坑总体呈狭长H型，东西长241 m，中部标准段宽为23.5 m，两端扩大段宽为36.4 m，标准开挖深度为29 m。支护结构采用地下连续墙+支撑形式，地下连续墙厚度为1 000 mm，采用C30钢筋混凝土结构。支撑结构共设置四排，第一、三、四排采用C30钢筋混凝土支撑，第二排支撑采用C235钢支撑，支撑截面为800 mm×800 mm。深基坑支护结构剖面如图1所示。

1.2 工程地质概况

基坑周围地貌主要为台地、冲洪积平原地貌，地形整体较为平坦，地面高程为27.0 m。结合地层钻探情况显示，该区间主要揭露地层为第四系沉积物，主要为人工填土、淤泥质软土、砂质黏性土，基坑地层参数见表1。其中淤泥质软土具有压缩性高、强度低、自稳能力差的特性，对深基坑工程施工造成一定影响。勘察期间场地内未发现滑坡、危岩和崩塌、泥石流、采空区、活动断裂等不良地质作用和地质灾害。地表水主要来源为水库、水塘及河流。水库与本线路距离400 m左右。

1.3 基坑监测方案

信息化监测能够及时反映施工过程中各个参数的变化，例如支护结构变形、地表沉降等问题，并能够提前预判风险，便于修正补救，保证基坑施工过程中基坑自身及周边环境的安全，基坑工程监测点布置如图2所示。基坑监测内容主要有：①墙顶水平位移和竖向位移；②墙体水平位移；③支撑轴力；④周边地表竖向位移、水平位移。采用现场巡视检查和仪器测试相结合的方法进行监测。监测控制值见表2。

2 基坑模型建立

为了减少对基坑周围环境的影响，需要采用分级降水开挖施工。数值模型采用“生死单元”和流固耦合模块，模拟基坑分级开挖与降水过程。在开挖前应先设置地下连续墙，每级开挖要分别关闭各级需开挖的土体单元，并激活相应的支撑单元。地下连续墙与土体接触采用绑定接触，切向为罚函数，法向为硬接触，地面和基坑开挖面为自由边界，不受任何约束，模型四周边界受X、Y向位移约束，底部受到X、Y、Z向的三向约束。本研究中建模时所做的假定如下：①基坑各层土体为均质、各向同性的理想弹塑体；②不考虑基坑临近区域施工荷载的影响；③为使计算简便，基坑底部为平整面，不考虑基坑斜坡。为方便分析深基坑开挖变形过程，将施工过程分为10个工况进行分析，施工工况见表3。

由于模型较大且呈对称形状，为简化计算选取模型的一半进行模拟，模型尺寸选取200 m×160 m×50 m。土体及支护结构的材料模型均选用各向同性材料，其中土体本构模型采用摩尔-库伦模型，支护结构材料本构模型选用线弹性模型，土体属性采用三维孔隙流体单元，并采用考虑土体孔隙压力的八结点六面体单元C3D8RP进行模拟；地下连续墙、混凝土支撑以及钢支撑采用三维应变单元；地下连续墙使用C3D8R单元；混凝土支撑及钢支撑则选择B31单元进行模拟。基坑土体与支护结构如图3所示。

3 基坑开挖模拟分析

3.1 地下连续墙变形影响

通过对基坑开挖进行模拟计算，得到基坑地下连续墙位移云图如图4所示。随着深基坑开挖的进行，两侧邻近土体发生向基坑内部的位移，基坑地下连续墙水平位移呈抛物线形。随着开挖深度的不断增加，地下连续墙水平位移快速增大，最大水平位移点逐步向下移动，最大水平位移变形出现在基坑中部位置。开挖完成后，标准段地下连续墙水平位移呈现先增后减的趋势，扩大段由于长度较短，水平位移较标准段位移值小，基坑内部发生水平位移变形。

地下连续墙水平位移监测变形如图5所示。在基坑降水施工过程中，由于土壤含水量下降，土体应力增加幅度较小，对水平位移变形产生了一定影响，其中第一次降水影响最大，水平位移为-1.53 mm。随着基坑支撑的影响，水平位移变形受降水影响逐渐减小，其余三次降水工况地下连续墙水平位移分别降低-0.57 mm、-0.62 mm、-0.29 mm。随着深度的不断增加，地下连续墙相同埋深处水平位移逐渐增大，最大位移为-17.92 mm，最小位移位于基坑底部位置，最小位移为-5.22 mm，桩顶的水平位移为-15.62 mm。地下连续墙与支撑构成的支护结构对基坑水平变形起到重要的作用，使基坑整体水平位移均在控制值内。

3.2 邻近地表沉降变形影响

随着基坑开挖深度的增加，邻近地表出现不同程度且不均匀沉降位移，土体呈现先隆起后沉降的趋势，基坑地表沉降位移云图如图6所示，沉降对比如图7所示。随着基坑内部的土体被移除，周边土体向基坑内部位移，随之基坑邻近区域出现地表沉降现象，标准段主要影响区为距基坑0～12 m的区域，扩大段由于宽度较大，主要影响区为距基坑0～20 m的区域。坑内土体卸荷后，深基坑邻近土体发生应力重分布，其中最大沉降位于距地下连续墙4 m的位置，最大沉降值为11.77 mm，土体呈现向上隆起的状态。随着与地下连续墙距离的增加，土体沉降变形值逐渐趋于稳定，距地下连续墙16 m及更远的土体变化值较小，且土体处于下沉状态，距地下连续墙16 m处下沉值最大，下沉值为-2.54 mm。基坑开挖施工期间邻近土体沉降较小，周边建筑物沉降变形幅度较小，从而减少了基坑对建筑沉降的影响。

在基坑第一层土体开挖时，邻近土体与建筑物开始发生沉降，由于开挖深度较浅，基坑邻近建筑物沉降值较小。随着基坑开挖深度的增加，邻近地表建筑物沉降值隨之增大，开挖完成后最大沉降值为23.2 mm。通过分析可知，模拟结果与监测结果一致，且处于控制值范围内。

3.3 支撑轴力分析

随着基坑开挖深度的增加，两侧邻近土体不断向内部位移，地下连续墙对支撑的应力不断增加，支撑轴力也随之不断增加。基坑支撑轴力云图如图8所示，基坑支撑轴力对比如图9所示。由图8、图9可知，完全开挖后基坑第二排混凝土支撑轴力最大，最大轴力为8 655.43 kN。

3.4 基坑施工问题及措施

基于深基坑在施工过程中存在基坑变形较大的问题，本研究提出以下建议：①为解决深基坑开挖过程中地下连续墙位移较大的问题，可将基坑划分为若干区域，采用先开挖后加固的方法逐步进行开挖，并使基坑周边土体得到有效支撑，从而保证每一块区域基坑的稳定。②随着开挖时间的延长，开挖变形位移与支撑轴力亦会随之增加，可采用增加地下连续墙强度或改变支撑结构的方法，以达到减小变形位移与支撑轴力的目的。

4 结论

①在深基坑开挖过程中，土体开挖对地下连续墙水平变形的影响较大。基坑开挖变形呈抛物线性型，其中地下连续墙中部位移变形较大，底部水平位移变形最小，地下连续墙水平位移向基坑内部发展。

②随着开挖深度的增加，邻近地表沉降也更明显，呈现先增后减的趋势，基坑开挖后支撑轴力、邻近建筑物沉降与监测值相近，由于基坑土体向内位移的影响，第二、三排支撑轴力比上部略大，基坑中下部位移较大。

参考文献：

［1］董利虎，宋丹青，唐高杰，等.超大深基坑开挖对周围环境变形影响及对策分析［J］.水资源与水工程学报，2022，33（1）：199-205，224.

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［3］杨善统.建筑密集区超大深基坑开挖变形模型试验研究［J］.地下空间与工程学报，2022，18（S1）：147-155.

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［5］朱大鹏，谢昌建，杨阳.深基坑开挖及降水诱发邻近建筑物变形破坏机理及影响因素［J］.科学技术与工程，2022，22（3）：1166-1172.

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［7］王有旗，谢彬，蒋梁栋，等.深基坑降水开挖对围护结构弯矩与位移影响分析［J］.广西大学学报（自然科学版），2022，47（5）：1160-1173.

［8］周守强，汪鹏程，王景.潜水地区深基坑降水开挖对下卧隧道影响分析［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2022，45（3）：356-361.