趙 平，程雪芬

(1.銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 工商管理學(xué)院，南京 210023)

0 引言

在現(xiàn)代城市建設(shè)中不可避免地要開挖狹長(zhǎng)深基坑，這勢(shì)必會(huì)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不利影響[1]，較為常見的是引起基坑周圍地表沉降，并將威脅周邊環(huán)境安全[2]。深入研究深基坑開挖對(duì)周圍土體變形的影響，對(duì)于基坑工程防災(zāi)減災(zāi)及促進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義[3]。為此，許多學(xué)者對(duì)深基坑開挖引起地表沉降的規(guī)律及相關(guān)問題展開深入研究并取得了豐富成果?，F(xiàn)有的基坑開挖引起地表沉降變形分析方法主要有三種，即模型試驗(yàn)、施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬。模型試驗(yàn)方面：賈曾潘等[4]綜合采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)土體沉降與支護(hù)體系變形特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明最大地表沉降與地連墻最大水平位移的比值為1.0～1.6；陳仁朋等[5]開展了軟黏土地層基坑開挖對(duì)旁側(cè)隧道影響離心模型試驗(yàn)研究，因既有隧道的約束作用，圍護(hù)墻外側(cè)地表沉降主要位于Peck(1969年)預(yù)測(cè)的地表沉降Ⅱ區(qū)；馮志等[6]研究結(jié)果表明減少內(nèi)支撐數(shù)量及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度會(huì)導(dǎo)致地表沉降的最大值有一定程度的增長(zhǎng)。施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面：何云猋等[7]以呼和浩特市城市軌道交通二號(hào)線學(xué)府康都站工程為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)地鐵基坑開挖過程中的地表沉降、建筑物沉降和管線沉降等進(jìn)行了系統(tǒng)分析；奚家米等[8]從安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)比研究了不同樁徑和內(nèi)支撐間距對(duì)基坑沉降變形的影響。數(shù)值模擬方面：陶勇等[9]采用數(shù)值模擬方法對(duì)南京江北新區(qū)相鄰深淺基坑開挖時(shí)序展開了優(yōu)化研究，結(jié)果表明在減小坑外地表沉降方面，深淺交替時(shí)序作用最大；王錦濤等[10]通過數(shù)值模擬方法研究了不同深基坑開挖進(jìn)程中地表沉降變形規(guī)律，結(jié)果表明地表土體因基坑開挖引起的最大沉降量約為0.5 mm；傅志峰等[11]通過FLAC3D有限差分軟件模擬分析了隔離樁對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響，結(jié)果表明隔離樁具有較好的隔振作用，使地表沉降變形減小了28%。龔曉南[12]的研究成果表明基坑工程具有很強(qiáng)的區(qū)域性，基坑周圍土體的變形可能對(duì)周圍地下管線、建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不良影響。麻鳳海等[13]認(rèn)為深基坑開挖引起的環(huán)境效應(yīng)已日益引起人們的重視，其中基坑開挖引起的地表沉降對(duì)環(huán)境的影響最大，也是研究的重點(diǎn)。由于有限元數(shù)值模擬方法具有可以動(dòng)態(tài)模擬基坑開挖與支護(hù)施工過程等優(yōu)點(diǎn)，且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可以對(duì)施工過程實(shí)施動(dòng)態(tài)控制，因此，通過對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的整理和分析，及時(shí)制定相應(yīng)的施工措施，可以有效確?；娱_挖過程中周邊既有建(構(gòu))筑物的安全[14]。綜上所述，雖然目前關(guān)于深基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境及基坑本身的影響等方面研究成果頗豐，但以合肥地區(qū)狹長(zhǎng)深基坑開挖引起周圍地表沉降的規(guī)律及其影響因素為對(duì)象的研究甚少。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，以合肥市某狹長(zhǎng)深基坑開挖工程為研究對(duì)象，將實(shí)測(cè)的地表沉降值與采用MIDAS GTS軟件建立的三維數(shù)值模擬計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證計(jì)算模型和參數(shù)選取的合理性；并在此基礎(chǔ)上深入分析狹長(zhǎng)深基坑開挖引起地表沉降變形的影響因素，以期為相關(guān)工程提供有益借鑒和參考。

1 工程概況

本文研究對(duì)象為合肥市某狹長(zhǎng)深基坑開挖工程，基坑周邊交通繁忙、建(構(gòu))筑物密集且有大量生活管線。該基坑平面形狀為狹長(zhǎng)矩形，基坑長(zhǎng)、寬、深分別為80 m，20 m，16 m?；拥闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)由地連墻、4道內(nèi)支撐、1道冠梁及3道腰梁組成。其中第一道內(nèi)支撐為鋼筋混凝土正方形截面支撐，截面尺寸為600 mm×600 mm，其余3道內(nèi)支撐均為圓管型鋼支撐，截面尺寸為D=609 mm，t=16 mm。4道內(nèi)支撐具體位置分別在地表以下1 m，5 m，9 m和13 m處，內(nèi)支撐水平間距均為5 m。冠梁與腰梁均為正方形截面的鋼筋混凝土梁，截面尺寸為800 mm×800 mm，分布位置與內(nèi)支撐豎向位置保持一致。地連墻為鋼筋混凝土墻，高度為26 m，其中嵌入土體深度為10 m，厚度為600 mm。

基坑分4次開挖，開挖深度均為4 m。根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告，簡(jiǎn)化后的土層為4層，從上到下依次為：①雜填土(厚度4 m)；②黏土(厚度10 m)；③粉質(zhì)黏土(厚度16 m)；④中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖(厚度30 m)。土體具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算模型力學(xué)參數(shù)

2 建模與計(jì)算

2.1 基本假定

由于施工過程和現(xiàn)場(chǎng)工程條件比較復(fù)雜，為了便于計(jì)算和研究，數(shù)值模型設(shè)計(jì)有必要對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行一定簡(jiǎn)化[12]，因此本研究基本假設(shè)如下：①土體為理想的彈塑性材料；②各層土體連續(xù)且均勻分布；③不考慮地下水對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響；④地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐均為彈性體；⑤同一種材料為均質(zhì)、各向同性；⑥不考慮地連墻與土體分離情況。

2.2 建立模型

根據(jù)劉穎的研究成果[15]，基坑開挖影響范圍在水平方向上為開挖深度的3～5倍，在豎直方向上為開挖深度的2～4倍，在影響范圍之外，基坑開挖引起的周圍地層變形可忽略不計(jì)?？紤]工程實(shí)際情況，本文建立的整體三維模型長(zhǎng)(x)、寬(y)、高(z)分別為180 m，100 m，60 m，遠(yuǎn)大于預(yù)計(jì)基坑開挖影響范圍。模型坐標(biāo)系如圖1所示：X軸正方向指向基坑長(zhǎng)邊，Y軸正方向指向基坑短邊，Z軸正方向鉛直向上。模型邊界設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)邊界[16]，即法向?yàn)閄方向的豎向邊界面，在X方向固定，YZ方向自由；法向?yàn)閅方向的豎向邊界面，在Y方向固定，XZ方向自由；法向非X也非Y方向的變截面在X和Y方向固定，Z方向自由，模型底部邊界為固定約束，地表為任意方向自由。數(shù)值模型采用摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系。模型支護(hù)結(jié)構(gòu)的具體材料參數(shù)如表1所示。模型中土體為3D實(shí)體單元，地下連續(xù)墻采用2D板單元，基坑內(nèi)支撐、冠梁及腰梁均采用1D梁?jiǎn)卧?。整體三維模型網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。網(wǎng)格劃分精度選擇中等粗細(xì)程度，并對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和開挖區(qū)附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，這樣既能減少計(jì)算時(shí)間又能得到較為理想的計(jì)算結(jié)果[17]。為保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，經(jīng)過前期大量的敏感性計(jì)算分析驗(yàn)證，最終確定深基坑開挖范圍內(nèi)網(wǎng)格單元尺寸均為2 m，其余網(wǎng)格單元尺寸為4 m。數(shù)值模型共計(jì)46 300個(gè)單元、37 300個(gè)節(jié)點(diǎn)。基于該基坑周邊存在交通繁忙、建(構(gòu))筑物密集等情況，在距基坑邊緣5 m范圍內(nèi)施加大小為20 kPa的地表豎向均布荷載，以模擬坑邊的堆載。

圖1 三維有限元模型

2.3 模擬施工

數(shù)值模擬中，地連墻施工、土體開挖和內(nèi)支撐的安裝均按照項(xiàng)目的實(shí)際施工順序設(shè)置。通過MIDAS GTS軟件中提供的“鈍化功能”模擬基坑開挖的過程，應(yīng)用“激活功能”實(shí)現(xiàn)地連墻及支護(hù)結(jié)構(gòu)單元模擬基坑支護(hù)的過程[18]?；娱_挖施工工況具體內(nèi)容如表2所示。結(jié)合該狹長(zhǎng)基坑開挖變形的特點(diǎn)，選取有代表性的斷面進(jìn)行研究，限于篇幅，本次研究主要側(cè)重位于基坑長(zhǎng)邊中部(CJ1斷面)、基坑短邊中部(CJ2斷面)及基坑端部坑角處(CJ3斷面)不同位置土體沉降變形的規(guī)律，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及3個(gè)斷面布置情況見圖2。

表2 基坑開挖工況及具體內(nèi)容

圖2 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

龔曉南[12]的研究表明，為了確?；庸こ淌┕さ陌踩?，有必要對(duì)該工程施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行指導(dǎo)?；诖耍罁?jù)相關(guān)規(guī)范和要求，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，制定了本次研究的監(jiān)測(cè)方案：對(duì)基坑開挖過程中周圍地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，地表沉降采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺量測(cè)。共對(duì)基坑周圍3個(gè)有代表性的斷面(CJ1斷面、CJ2斷面及CJ3斷面)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均勻分布在3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上(每隔2 m布置1個(gè))，與地連墻距離最小值為0，最大值為32，每個(gè)斷面布置16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，3個(gè)斷面共計(jì)48個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。地表沉降自完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑開挖起進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)選取的研究對(duì)象保持一致。

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證本文模擬設(shè)計(jì)的合理性和結(jié)果的可靠性，有必要對(duì)實(shí)際工程工況下地表沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，并同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，做出基坑開挖完成時(shí)3個(gè)斷面(CJ1，CJ2與CJ3)地表沉降數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比圖?；娱_挖完成時(shí)地表沉降數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：①地表土體由基坑開挖引起的沉降變形規(guī)律呈開口向上的“拋物線型”，基坑周邊地表沉降值對(duì)基坑開挖深度敏感，且隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，地表最大沉降值出現(xiàn)在離墻后約8 m的位置，地表沉降的主要影響范圍為0.5He～1.5He(He為基坑深度)；②通過數(shù)值模擬得到的最大地表沉降約為27.3 mm，而監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示最大地表沉降約為29 mm，相比之下有一定誤差，但在允許范圍之內(nèi)；③數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況下地表沉降變化規(guī)律較為接近，且最大沉降出現(xiàn)的位置均為距離地連墻約8 m的位置。這表明所建模型能夠很好地反映坑外地表土體實(shí)際沉降變形情況，可以為深基坑工程的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)，同時(shí)表明數(shù)值模擬技術(shù)在該地區(qū)狹長(zhǎng)深基坑開挖工程中的應(yīng)用是可行的，在此基礎(chǔ)上可以開展進(jìn)一步研究。此外，由圖3還可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)略大于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，這主要是由于數(shù)值模擬設(shè)置了一些假定條件，而實(shí)際基坑開挖施工則不可避免地會(huì)受到周邊其他因素如坑邊堆載、降雨影響以及測(cè)量誤差等影響，這些因素是導(dǎo)致兩者之間差異的主要原因。此結(jié)論與童建軍等[19]在成都地鐵車站深基坑周邊地表沉降規(guī)律研究中得出的結(jié)論相一致。因此，為避免狹長(zhǎng)基坑開挖引起的基坑長(zhǎng)邊附近地表沉降所造成的不利影響，應(yīng)注意并加強(qiáng)狹長(zhǎng)深基坑長(zhǎng)邊中部區(qū)域地下管線的保護(hù)及地表重要建(構(gòu))筑物的沉降監(jiān)測(cè)工作。

圖3 基坑開挖完時(shí)地表沉降 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比圖

3.2 地表沉降變形影響因素分析

基坑周圍地表的最終沉降變形與基坑開挖過程中的許多因素有關(guān)，楊倫和喬瑞龍[20-21]的研究成果顯示，基坑開挖時(shí)影響地表沉降的因素主要有以下三類：自然因素、設(shè)計(jì)因素及施工因素。采用地連墻+內(nèi)支撐支護(hù)的狹長(zhǎng)深基坑受力主體為地連墻和內(nèi)支撐，限于篇幅，也為了突出重點(diǎn)，這里僅討論設(shè)計(jì)因素中的地連墻及內(nèi)支撐相關(guān)參數(shù)的改變對(duì)基坑周圍地表沉降的影響。根據(jù)李福林[22]在軟土地區(qū)狹長(zhǎng)深基坑開挖引起深層土體變形研究中得出的基坑空間影響效應(yīng)相關(guān)結(jié)論，基坑長(zhǎng)邊測(cè)點(diǎn)豎向位移最大、短邊測(cè)點(diǎn)次之、坑角最小，本次研究對(duì)象選取有代表性的基坑長(zhǎng)邊中部CJ1斷面。具體位置參見圖2，參數(shù)變化具體情況見表3。

表3 設(shè)計(jì)參數(shù)改變方案 m

3.2.1 地連墻相關(guān)參數(shù)改變對(duì)地表沉降變形的影響

為研究地連墻相關(guān)參數(shù)改變對(duì)地表沉降變形的影響，分別單獨(dú)設(shè)計(jì)地連墻厚度和嵌入深度相關(guān)參數(shù)，其他參數(shù)保持不變，參數(shù)改變?cè)O(shè)計(jì)方案具體見表3。對(duì)應(yīng)地連墻厚度和嵌入深度不同參數(shù)分別建立三維數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果研究參數(shù)改變對(duì)地表沉降的影響，具體結(jié)果見圖4和圖5。由圖4可以看出，當(dāng)?shù)剡B墻厚度分別為0.4 m，0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m時(shí)，相對(duì)應(yīng)的地表沉降最大值分別為32.2 mm，27.3 mm，25.1 mm，23.4 mm，22.3 mm。由圖5可以看出，當(dāng)?shù)剡B墻嵌入深度分別為6 m，8 m，10 m，12m，14 m時(shí)，相對(duì)應(yīng)的地表沉降最大值分別為33.2 mm，30.1 mm，27.3 mm，24.4 mm，23.3 mm。由此可見，適當(dāng)增加地連墻厚度及嵌入深度，可以有效抑制深基坑開挖引起的地表沉降，這是因?yàn)殡S著地連墻厚度及嵌入深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度及抵抗變形的能力會(huì)逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而對(duì)地表土體的沉降起到限制作用。

圖4 地連墻厚度對(duì)地表沉降的影響

圖5 地連墻嵌入深度對(duì)地表沉降的影響

綜上所述，雖然適當(dāng)增加地連墻的厚度和地連墻的嵌入深度，可以有效抑制基坑周圍土體沉降，但數(shù)值模擬結(jié)果同時(shí)表明，當(dāng)二者數(shù)值增加到一定程度時(shí)，其抑制基坑變形的效果會(huì)變得十分有限。此外，盲目加大地連墻厚度和嵌入深度還會(huì)大大增加基坑開挖支護(hù)成本。

3.2.2 內(nèi)支撐相關(guān)參數(shù)改變對(duì)地表沉降變形的影響

為研究?jī)?nèi)支撐相關(guān)參數(shù)改變對(duì)地表沉降變形的影響，分別單獨(dú)改變內(nèi)支撐豎向間距和水平間距，其他參數(shù)保持不變，參數(shù)改變?cè)O(shè)計(jì)方案具體見表3。對(duì)應(yīng)豎向間距和水平間距不同參數(shù)分別建立三維數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果研究參數(shù)改變對(duì)地表沉降的影響，具體結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 內(nèi)支撐豎向間距對(duì)地表沉降的影響

圖7 內(nèi)支撐水平間距對(duì)地表沉降的影響

由圖6可以看出，當(dāng)內(nèi)支撐豎向間距分別為2 m，3 m，4 m，5 m，6 m時(shí)，相對(duì)應(yīng)的地表沉降最大值分別為24.3 mm，25.1 mm，27.3 mm，31.3 mm，34.0 mm。由圖7可以看出，當(dāng)內(nèi)支撐水平間距分別為3 m，4 m，5 m，6 m，7 m時(shí)，相對(duì)應(yīng)的地表沉降最大值分別為23.0 mm，24.2 mm，27.3 mm，32.5 mm，34.5 mm。不難看出，適當(dāng)減小內(nèi)支撐豎向間距和水平間距，可以有效抑制深基坑開挖引起的地表沉降，這是因?yàn)殡S著內(nèi)支撐豎向間距和水平間距的減小，支護(hù)體系整體剛度和抗變形能力會(huì)逐漸增強(qiáng)，進(jìn)而對(duì)地表土體的沉降起到限制作用。但數(shù)值模擬結(jié)果同時(shí)表明，當(dāng)二者數(shù)值增加到一定程度時(shí)，其抑制基坑變形的效果會(huì)變得十分有限。此外，盲目減小內(nèi)支撐豎向間距和水平間距也會(huì)大大增加基坑開挖支護(hù)成本。

4 結(jié)論

通過MIDAS GTS有限元軟件建立三維有限元模型，用以分析合肥地區(qū)某狹長(zhǎng)深基坑開挖過程引起周圍地表土體沉降變形的規(guī)律，并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上分析了狹長(zhǎng)深基坑開挖引起地表沉降變形的相關(guān)影響因素，主要結(jié)論如下。

(1)通過數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，得出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本研究所建立數(shù)值模型的可行性及模型參數(shù)取值的合理性和可靠性，表明本研究的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)類似深基坑開挖施工具有一定的借鑒意義。

(2)地表土體受基坑開挖影響所引起的沉降變形規(guī)律呈開口向上的“拋物線型”，地表沉降值隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，最大沉降值出現(xiàn)在離墻后約8 m的位置，主要影響范圍為0.5He～1.5He。

(3)地表沉降隨地連墻厚度和嵌入深度的增大而減小，隨內(nèi)支撐水平及豎向間距的減小而減小。但模擬結(jié)果表明，不能盲目增加地連墻厚度、嵌入深度，也不能盲目減小內(nèi)支撐間距，否則都會(huì)導(dǎo)致施工成本大大增加，因此在基坑設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，在保證安全的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益。

(4)切實(shí)做好監(jiān)測(cè)工作對(duì)基坑工程的設(shè)計(jì)和施工非常重要，也是實(shí)現(xiàn)信息化施工的必要條件。在深基坑開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各種預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的管理及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)，否則容易造成監(jiān)測(cè)點(diǎn)的破壞以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的失準(zhǔn)。此次施工過程中已發(fā)生預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備和部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)保護(hù)不利的情況，在以后施工監(jiān)測(cè)過程中應(yīng)避免類似情況發(fā)生。