深基坑开挖引起邻近地层动态变形案例

曹伟伟，温欣，于旭光

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

鉴于城镇建筑群的发展，深基坑工程继而增多，力保其施工、环境安全问题值得思考，因此欲探究深基坑开挖对邻近环境的影响，对基坑施工引发地层动态变形分析成为重要课题。刘兴旺等[1]通过沪、杭软土地区15个基坑工程的有效监测数据，对开挖施工围护体系的最大侧移量及造成邻近建筑发生的沉降数值进行了统计，发现最大侧向量值位于0.002～0.009H间，H为挖深；赵荣欣[2]研究表明若考虑渗流应力存在的耦合作用，引发周边土体2个维度上的形变量均大于不考虑该因子时的变形，但要比实测值略低。吕少伟[3]对沪一地铁站基坑开挖引发的周边土体位移场进行了实测统计，分析了土体在水平方向上的传递规律，表明离坑近区域土体有块体移动趋势，但水平侧移值沿水平向变化不明显；离坑达到一定距离后此值线性减少至0。

本文采用FLAC3D软件，对天津近海河处一基坑进行模拟，建立基坑开挖与支护体系的有限元模型，选用Modified Cam-clay模型,并对支护体系与土的接触滑移因素加以考虑，利用FISH子程序对FLAC3D进行再开发，使其模型中能够考虑超固结比，研究了基坑开挖土体地表变形及影响深度范围内土体的变形，并对比实际有效监测数据，预测周边百年历史建筑产生的最大水平侧移量。

1 工程介绍

此工程位于天津海河西侧，合江路与滨江道交口。坑深达22.00m，东西向长136m，南北向宽150～154m，支护体系包括竖向围护结构和水平向支撑，其中竖向上，坑边为地连墙埋深为2倍坑深，厚1m，坑内采用的是“工程桩+格构柱”作为竖向支撑，立柱桩长均为80m，桩径为1m；水平向上，沿深度方向加5道C40钢筋混凝土支撑。

图1 基坑与历史风貌建筑位置示意图

图2 地表沉降测点布置

2 FLAC3D建模

2.1 Modified Cam-clay模型屈服函数

计算步骤[4]：

1）求解竖向有效应力σv'；

2）参考平衡态下侧压力经验系数K0，求水平有效应力σh'：σh'=K0×σv'；

3）算各个土单元平均有效应力p'、偏应力q，

5）算初始固结线在单位压力（p'=1）下的比体积N：N=v+λlnp'。

2.2 支护体系的模拟

本研究用实体单元模拟坑边地连墙，用beam单元模拟坑内水平梁支撑，用interface模拟坑边墙和周边土间的作用；用pile单元模拟立柱桩。

2.3 计算模型

基坑东西向长136m，南北向宽150～154m，H=22m。模型中，坑边两侧各取5H（H为挖深），坑底至下边界网格取3.5H，经计算所建模型尺寸东西向（x向）356m，南北向（y向）370m，z向100m。

图3 计算土体建模

图4 支护体系建模

2.4 工况模拟

开挖模拟共6步，其中，Stage0 初始状态应力平衡，将null单元土体的位移赋值0，具体施工工况模拟如下表。

表1 坑体开挖计算步

3 仿真结果研究并与监测值的对比

3.1 地面沉降模拟结果分析

用pr gp disp z=0命令提取不同挖深地表沉降云图见图5—9。

图5 挖至-5.0m时地表沉降

图6 挖至-10.15m时地表沉降

图7 挖至-14.15m时地表沉降

图8 挖至-18.15m时地表沉降

图9 挖至-22m时地表沉降

通过模拟，用pr gp disp ran 命令提取x=39.25m，x=55m，y=0m分别对应B1—B3剖面网格节点处竖向变形数据，绘制不同开挖步（模型计算步）下随距坑边不同距离处地表沉降规律图，见图10-12。

图10 B1剖面地表沉降

图11 B2剖面地表沉降

图12 B3剖面地表沉降

3.2 坑外深层土变形分析

基坑南侧有超百年的历史风貌建筑，为保证其结构可靠性，需重点研究此次基坑开挖对南侧环境的影响，仿真数据表明，南侧坑外土体竖向变位最大值占水平向不足40%，故重点分析水平位移量。图13～17分别为挖至-5、-10.15、-14.15、-18.15、-22m（坑底处）基坑中部x向位移云图。模拟显示，挖完水平位移量最大增至77.2mm，位置位于坑边一定深度处。

图13 挖至-5m时x向位移云图

图14 挖至-10.15m时x向位移云图

图15 挖至-14.15m时x向位移云图

图16 挖至-18.15m时x向位移云图

图17 挖至坑底x向位移云图

3.3 地面沉降仿真数值与实测对比

因无法提取未在网格节点上B1、B2监测点，故仅对比B3剖面（监测点见图2）。

表2 监测点距对应坑边长

图18～22为B3剖面在不同计算步地面沉降对比曲线图。

图18 挖至-5m时沉降位移对比图

图19 挖至-10.15m时沉降位移对比图

图20 挖至-14.15m沉降位移对比图

图21 挖至-18.15m时沉降位移对比图

图22 挖至底部沉降位移对比图

研究显示，曲线走向大体相同，离坑边约40m处实际出现隆起现象，但量值很小，尤其在基坑开挖后，隆起量趋近0，模拟结果对比实际监测数据基本吻合。本工程对坑外深层土体未设点进行监测，鉴于仿真结果，预测基坑施工完，周边最近的1#历史风貌建筑（离基坑53m）最大水平侧移量为20.2mm，其结果可指导工程安全施工。

4 结论

针对深基坑工程施工对周边历史风貌保护建筑水平变形的影响，利用FLAC3D模拟基坑施工过程，对结果进行提取分析。结果表明: 1)模拟值和实际监测数据基本吻合； 2)施工完毕后,模拟预测坑外土体水平侧移量达到77.2 mm，邻近历史风貌保护建筑水平侧移量最大值约为20.2mm，其结果对工程安全施工有一定指导意义。