岩质深基坑开挖卸荷地表沉降特性数值模拟分析

岩质深基坑开挖卸荷地表沉降特性数值模拟分析

李金明

青岛市市政公用工程质量安全监督站，山东，青岛，266000

摘要：以青岛地铁自开建以来最深基坑鞍山路车站为研究对象，对基坑开挖支护结构变形机理及周边沉降特征进行归纳分析。通过对现场工程概况进行研究分析并对现场三个典型支护单元围护桩体竖向位移、建筑物沉降、桥墩沉降及地表沉降进行连续监测和数值模拟，对青岛特有“上软下硬，土岩复合”地层条件下基坑开挖周边沉降规律进行定量研究，对基坑开挖周边安全风险进行评价。

关键词: 土岩基坑；数值模拟；基坑变形；组合支护

深基坑开挖会对周围环境产生如周边地表沉降、周边地下管线变形甚至周围建筑不均匀沉降等严重影响。虽然国内外已有众多学者在基坑开挖周围沉降方面做出大量研究，取得很多有价值的成果，但深基坑工程较为复杂，影响因素多，不同开挖方式等都会对基坑周围沉降产生不同影响。深基坑开挖过程实际上是开挖面卸荷过程，基坑开挖导致坑内原始应力场发生改变，使基坑支护结构内外产生压力差。坑外土体向坑内位移，支护结构发生形变，坑底发生隆起，支护结构外侧土体产生沉降，坑外土体产生不均匀沉降势必会对周边产生重大影响。

李大勇[1]建立支护结构、地下管线及基坑土体的耦合三维模型，并对地下管线保护方法进行数值模拟，将计算结果反馈施工、设计。俞建霖[2]通过有限元数值模拟对基坑开挖过程围护结构水平位移、基坑底部土体隆起及周边地表沉降进行研究，分析了围护结构水平位移的影响因素，发现被动加固区可以限制围护结构水平位移及坑周边表沉降。张维正[3]运用BP神经网络建立基坑开挖周边建筑物沉降模型，采用ADNIA对基坑桩锚支护进行三维动态模拟，结合正交设计实验方法研究多因素对桩锚支护结构的影响。

郑刚[4]对开挖基坑周边桩基进行监测发现，开挖过程会对桩基产生巨大影响。如排桩间距较大，后方止水帷幕水平变形会大于排桩。通过有限元模拟对桩基距基坑距离、刚度、桩基竖向荷载及围护桩体顶部约束对附加弯矩与位移的影响。贾堤[5]研究了利用场地的岩土工程勘察报告数据获得数值分析中土体弹性模量的三种方法。赵延林[6]采用大弹塑理论与有限差分理论对哈尔滨地区某桩锚支护结构基坑开挖过程进行数值模拟，结合现场实测数据对基坑开挖深度、建筑物距基坑距离以及锚杆支护层数等因素对于基坑周边地表沉降值的影响规律进行分析。冯晓腊[7]以武汉某深基坑工程为背景，采用有限元软件PLAXIS对其进行了基坑开挖全过程的数值模拟分析，分析了复杂条件下基坑支护结构体系及周边环境的受力、变形情况。

青岛地铁鞍山路站基坑开挖深度超过40米，为青岛地铁迄今为止最深基坑。鞍山路站基坑具有青岛特有“上软下硬，土岩复合”地层特点，且开挖方式以爆破开挖为主，这无疑对周边建筑物、构筑物、地下管线以及地表沉降的控制提出了更高的要求。以青岛地铁鞍山路车站为研究对象，通过长期连续对现场周边沉降进行监测，对基坑开挖卸荷响应进行分析，结合数值模拟的手段研究地层性质对基坑开挖过程周边沉降的影响。

1三维模型的建立

刘建航院士指出基坑变形具有空间效应，基坑开挖尺度和支护效果有一定联系，在特定土体参数及施工参数条件下，将实测数据与有限元模拟数据进行对比，可以得到每一施工参数对于基坑变形的影响。鞍山路车站基坑地质情况复杂，岩土体种类较多，岩层土层厚度、埋深及属性分布差异，岩土层自上而下依次为杂填土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。具体参数如表1所示。

表1 岩土体物理参数表

除岩土体外其他结构材料采用弹性本构，周边建筑物、周边高架桥采用3D实体单元进行模拟。基坑支护采用微型钢管桩+锚杆支护，微型钢管桩数量较多，在模拟过程中产生网格数量较多，计算量大。周边桥梁桥底桩基础、冠梁以植入式梁单元进行模拟，锚杆的选取是采用静力边坡分析菜单下的锚建模助手来建立。

本文对基坑周围二倍开挖深度地表、建筑物、构筑物进行沉降分析，由于基坑开挖深度为40米，模型边界距离基坑开挖面80米，高度定位60米。模型尺寸为194m×260m×60m。该模型采用混合网格生成器生成，网格质量大幅提升，本模型共有151132个单元，如图1所示。支护结构网格如图2所示。

本文结合实际监测数据，重点分析了O、P、M单元基坑开挖过程中的周边地表沉降、围护桩顶竖向位移、周边建筑物与桥墩沉降规律。

2数值模拟结果分析和讨论

2.1 基坑周围地表沉降结果分析

基坑周边地表沉降选取DBC26-01测点与数值模拟中16步开挖过程沉降结果进行对比分析。为更直观的了解开挖过程中沉降影响区域的变化规律，在P支护单元中将模型沿东西方向取一个截面。沉降剖面云图如图3所示。

从开挖剖面云图可以看出，随着开挖深度的增加，坑底隆起与周边地表沉降都在不断增加，对周边的影响辐射范围也不断增加。在开挖到坑底时，基坑周边出现了较为明显的沉降槽，且周边沉降最大值并不发生在支护结构处，而是发生在距离基坑边缘一定距离处，说明该基坑的沉降形式为凹槽型。将DBC26-01沉降实测值与模拟结果进行对比，如图4所示。

从模拟结果来看，地表沉降在开挖初期沉降变化速率最大。随着开挖深度的不断增加，从杂填土层到微风化花岗岩岩层，弹性模量、卸载模量等参数数值不断增加，开挖对岩体扰动变小，因此大部分累计沉降量产生在开挖中前期。在开挖4~开挖5过程中模拟结果也与现场实测数据一致，出现基坑周边地表隆起现象。坑外岩体产生沿滑裂面向坑内的滑移，而岩体在剪力作用下，产生碎裂，出现岩体剪胀扩容现象导致周围地表隆起。

4.3.2  临近建筑物沉降结果分析

为更直观看到基坑开挖对桥墩沉降的影响，沿桥墩方向截取剖面，得到竖向位移云图如图5所示。将现场实测数据与模拟结果进行对比，取桥墩沉降最大测点JGC10-1为例进行对比，如图6所示。

桥墩桩基为端承桩，端承桩入土深度10.5米，桩头打在中风化花岗岩层。通过将桥墩沉降模拟结果与实测结果进行对比可以发现，模拟结果与实测结果在整体变化趋势上具有一致性。开挖初期对桥墩沉降影响较小，随着开挖的持续进行，模拟结果与现场实测数据都反应在开挖3~开挖4阶段中产生隆起，并在开挖4~开挖5过程中产生快速沉降。由于开挖卸荷改变原始应力场引起桩基隆起，随着坑底隆起土体开挖移除产生的应力释放，导致桥墩产生沉降变形。

4.4  不同岩层对基坑开挖周边地表沉降影响分析

为得到不同岩层对基坑开挖周边地表沉降影响，仅仅改变土体性质，模型其他本构与参数的选取保持不变。依次将基坑土体属性改为杂填土、强风化花岗岩、中风化花岗岩以及微风化花岗岩，得到各模型竖向位移云图如图7所示。

数值结果表明，随着土体强度的增强，开挖对周边影响范围减小，且周边沉降明显减小。以发生周边地表沉降最大测点JGC26-01为研究对象，对比分析四种土体属性基坑在该测点沉降曲线，如图8所示。

从不同土体属性基坑开挖周边地表沉降模拟结果来看，沉降曲线总体呈线性。在开挖4~开挖5的过程中存在周边地表隆起现象，与现场实测数据相一致。从模拟结果来看，认为隆起量与沉降量与岩土体属性有关。从沉降变化速率来看，从大到小依次是杂填土基坑、强风化花岗岩基坑、中风化花岗岩基坑、微风化花岗岩基坑。当基坑土层性质较差时，应采取适当措施加强支护，减小每步开挖量，确保基坑开挖对周边环境的影响时刻处于安全。

3小结

1、数值模拟结果与现场实测数据在变化趋势上具有一致性。随着开挖深度的增加，对周边沉降影响范围也在逐步增加，在第四步开挖过程中出现了周边地表隆起现象。

2、研究了不同土体属性在基坑开挖过程中对周边沉降的影响。通过模拟结果可以发现，杂填土基坑、强风化花岗岩基坑及中风化花岗岩基坑在开挖至冠梁处会产生一定量隆起，且强度越高隆起越大。初步分析，认为周边地表隆起原因为基坑开挖卸荷周边地下岩层剪胀扩容。

3、对比四个模型沉降曲线可以发现，基坑在非隆起阶段沉降总体呈线性，且土体强度越高沉降曲线斜率越小，沉降变化速率越慢。

参考文献：

[1]李大勇,龚晓南,张土乔.软土地基深基坑周围地下管线保护措施的数值模拟[J].岩土工程学报，2001(06):736-740.

[2] 俞建霖,龚晓南.基坑工程变形性状研究[J].土木工程学报，2002(04):86-90.

[3] 张维正. 深基坑周边建筑物沉降预测与支护结构变形研究[D].辽宁工程技术大学,2007.

[4] 郑刚,颜志雄,雷华阳,雷扬.基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析[J].岩土工程学报,2007(05):638-643.

[5] 贾堤,石峰,郑刚,徐舜华,安璐.深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨[J].岩土工程学报,2008,30(S1):155-158.

[6] 赵延林,张春玉,姜封国,景海河.深基坑开挖对周边地表沉降变形的影响[J].黑龙江科技学院学报,2009,19(02):97-100.

[7]冯晓腊,熊宗海,莫云,庞建成.复杂条件下基坑开挖对周边环境变形影响的数值模拟分析[J].岩土工程学报,2014,36(S2):330-336.