王真真
（菏泽市河湖流域工程管理服务中心，山东 菏泽 274000）
随着我国基础工程建设的快速发展，基坑工程规模越来越大，深度越来越深。既有研究表明，基坑开挖往往会对周围环境造成明显的扰动，导致基坑变形失稳以及周围地表和其他建筑物开裂等工程问题。考虑到基坑工程对于基础建设的重要性，因此基坑开挖的相关研究显得尤为必要。尤其是关于基坑开挖对地表及周围建筑变形影响的研究极为关键。
杨义皊[1］基于数值模拟研究了高铁深基坑开挖对坑外变形影响规律。结果表明，支护结构的变形随开挖深度的增大而增大。此外，隔离桩对隔断基坑外土体位移具有显著的控制作用。赵平和王占棋[2］基于有限元数值模拟研究了深基坑开挖引起临近深层土体水平变形规律。结果表明，土地变形随基坑开挖深度增大而增大，且水平位移呈弓形分布。基坑的长边位移最大，短边最小。杨坡等[3］建立基坑开挖的数值模型，研究了基坑开挖对既有地铁隧道变形的影响。结果表明，引起隧道变形的主要因素是基坑的竖向卸荷作用。范育雷[4］基于有限元研究了基坑开挖变形规律。结果表明，在6次开挖过程中最后一次开挖所产生的内支撑变形最大。宋效忠[5］基于现场监测数据，分析了深基坑开挖中的围护结构变形规律。结果表明，围护结构的变形与基坑开挖深度成正比，且变形表现出两端小中间大的趋势。涂芬[6］基于三维数值模型，研究了深基坑开挖对邻近既有建筑变形的影响。结果表明，基坑开挖过程中，浅基础受影响最大，基坑开挖过程中应重点关注周围浅基础建筑群。刘芳等[7］基于三维有限元模型，研究了软土深基坑桩撑支护选型问题。结果表明，随着基坑开挖深度的增大，支护桩水平位移曲线呈“鼓肚状”型分布，周边地表沉降曲线呈现“勺状”型分布。
本文基于三维数值模拟，建立基坑开挖模型，研究了深基坑开挖对临近地表变形影响。本文的研究对于相似工程的施工及设计具有指导意义。
项目为大型深基坑工程。基坑长宽深分别为60 m×40 m×12 m（图1）。支护结构主要有0.8 m 地下连续墙和3 道混凝土内支撑构成。其中地连墙厚度为0.8 m，高度为18 m；
内支撑在距地表分别为2 m、6 m 和9 m 位置布设，内支撑为直径0.8 m 的。基坑实际开挖过程中主要分4 步。根据钻孔资料，区域岩层由上到下分别为：杂填土、全风化泥质砂岩和强风化-中等分化泥质砂岩。各层厚度分别为6 m、6 m 和47 m。计算中假定地连墙为各向同性的均匀材料，并满足线弹性本构模型，对应的弹性模量28 GPa，泊松比0.21，重度取26 kN／m3。
图1 基坑平面及测点布置图
3.1 模型建立
采用MIDAS／GTS 建立典型三维数值计算模型。模型的边界条件为：固定底面三个方向的位移，模型四周为固定水平位移，顶部为开挖自由边界。岩土体采用3D 单元，地下连续墙采用2D 板体单元，支撑采用一维单元。模型网格数为182000，节点数为190000。数值模型及各土层厚度见图2。
图2 基坑典型断面图
3.2 材料参数
计算中采用的岩土体材料参数主要基于钻孔取样的室内土工试验和参考既有相关研究获得，最终使用的材料参数汇总见表1。其中岩土体采用摩尔-库伦理想弹塑性本构模型，且土体连续均匀；
地下连续墙和支撑为各向同性弹性体；
不考虑地下水的影响。
表1 岩土体物理力学参数
3.3 计算工况及监测方案
为了真实再现基坑开挖对地表变形的影响，本文数值模拟施工工况与实际开挖情况完全相同，模拟共6 步：第一步为地应力平衡；
第二步为地下连续墙施工；
第三步为基坑开挖1 m，施加第一道支撑；
第四步为基坑开挖2 m，施加第二道支撑；
第五步为基坑开挖3 m，施加第三道支撑；
第六步为基坑开挖4 m，施加第四道支撑。
现场监测主要考虑基坑长边、短边和坑角位置处。分别在长边中心点（1#监测点）、短边中心点（1#监测点）和坑角（3#监测点）布置竖向沉降监测计。监测点每隔2 m 布置一个，共42 个监测点。监测自基坑开挖开始实施。
4.1 数值计算与监测对比
为验证本文数值模拟的合理性，本文首先采用数值模拟计算了当地下连续墙厚度为0.8 m 工况下的地表变形规律并与现场三个监测点的监测结果进行对比分析见图3。结果表明，数值模拟结果与监测结果基本一致。数值模拟和实测结果相对误差在15%以内，证明本文数值模拟具有较好的可靠性。实测结果与数值模拟都表现出随基坑开挖深度的增大而先增大后减小的趋势。此外，竖向位移最大值均出现在距墙后6 m 位置处，即基坑开挖的影响范围为2 倍基坑开挖深度。3 个监测点的竖向位移最大值为24 mm、15 mm 和8 mm。其中长边中心沉降最大，短边中心沉降次之，坑角位移沉降最小，这也表明，地表沉降具有较强的空间效应。
图3 开挖完时模拟与监测对比图
4.2 土体强度参数对地表沉降的影响
为了进一步研究土体抗剪强度对地表变形的影响。图4汇总得到采用数值模拟计算得到的不同内聚力对地表变形的影响数据。结果表明，在其他条件不变的情况下，当初始内聚力为24 kPa 时，随着内聚力的增大，地表变形不断减小。由此可见，土体强度参数对地表变形影响较大。当土体的强度提高时，对于土体的稳定性有很大的提高。但随着土体强度的进一步提高，对地表变形的影响越来越小。当内聚力提高至15%时，对地表变形影响趋于平缓。图5 采用数值模拟计算得到内摩擦角对地表变形的影响。总体而言，内摩擦角对地表变形的影响与内聚力对地表变形的影响趋势基本相同，本文不在赘述。
图4 竖向位移与内聚力的关系
图5 竖向位移与内摩擦角的关系
4.3 地下连续墙参数对地表沉降的影响
为进一步研究围护结构尺寸对地表变形的影响。采用数值模拟计算了不同地下连续墙厚度和嵌固段深度对地表变形的影响。地连墙厚0.8 m，嵌固段深度为1.2 m。图6 和图7 表明，适当提高地连墙的厚度和嵌固段深度对于减小地表沉降有积极的作用。这是因为，当围护结构尺寸增大时，可以增大结构的侧向刚度，从而有效减小地表变形。当地下连续墙由初始的0.8 m 增大至1.0 m 时，地表变形由25 mm 减小至15 mm。同理，当地下连续墙嵌固段深度增加也表现出相同的变化趋势。但当地下连续墙嵌固段深度由原始1.2 m 增大至1.44 m时，地表变形由24.6 mm 减小至19.5 mm。根据以上分析可知，实际工程中应适当增大二者的值，以减小对地表变形的影响。
图6 地下连续墙厚度与地表变形的关系
图7 地下连续墙嵌固段深度与地表变形的关系
本文基于数值模拟和现场实测数据，研究了基坑开挖过程中，土体的抗剪强度参数和支护结构尺寸对地表变形的影响，得到如下几点结论：
（1）数值模拟与实测数据对比结果趋势一致，证明本文模拟的可靠性。基坑周边地表沉降随距基坑距离增大而先增大后减小。变形最大的位置发生在0.5 倍基坑深度处，基坑开挖的影响范围为2 倍基坑开挖深度。
（2）当土体的内聚力和内摩擦角提高时，地表沉降越来越小。但随着土体强度的进一步提高，对地表变形的影响越来越小。当内聚力和内摩擦角提高至15%时，对地表变形影响非常小。
（3）适当提高地连墙的厚度和嵌固段深度对于减小地表沉降有积极的作用。当围护结构尺寸增大时，可以增大结构的侧向刚度。从而有效减小地表变形。当地下连续墙由0.8 m 增大至1 m 时，地表变形由25 mm 减小至15 mm。实际工程中应适当增大二者的值，以减小基坑开挖对地表变形的影响。
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