黃土擴挖深基坑鄰近結構特征響應研究

戴兵強，劉寅昌，周國梁，楊東亮

(中建一局集團建設發展有限公司，北京 100020)

隨著西部發展戰略的提出，我國西部地區逐漸向城市化發展，黃土地區城市空間日漸狹小。為了更高效地利用土地資源，提高土地資源的使用效率，地下空間向更大更深的趨勢發展是解決此類問題的最佳選擇。因此，在這種發展趨勢的大環境下，黃土基坑的開挖也越來越大、越來越深。雖然黃土地區基坑工程的大規模發展一方面使得城市的建設發展更加完善，但是基坑工程在建設中也可能會給周邊環境的發展帶來不利的影響[1-5]。

近些年，國內外許多學者針對黃土深基坑施工對鄰近結構物的影響開展了大量研究，研究方式主要集中在現場測試數據分析、有限元建模分析以及模型試驗分析三方面。劉均紅[6]等以黃土地區某地鐵站深基坑為工程背景，基于現場測試數據分析了基坑支護結構的內力及變形規律。梅源[7]等基于現場監測數據統計了西安地區黃土深基坑開挖造成的地表沉降及支護樁的變形規律，得出了黃土深基坑開挖造成土體及支護結構的變形小于非黃土地區。王玲玲[8]等借助有限差分程序FLAC3D分析了某濕陷性黃土基坑工程在不同工況下支護結構和坑周土體的變形規律。劉安寧[9]基于現場實測數據與有限元模擬計算分析了西安高科尚都二期深基坑開挖時對圍護結構及周邊土體的變形及受力的影響。崔廣芹[10]等基于固結回彈試驗模擬了黃土基坑在不同開挖深度下土體的卸荷回彈規律，確定了黃土深基坑卸荷開挖時土體的最大影響深度及強回彈區范圍，并借助現場測試數據及理論計算結果驗證了模型試驗結果的可行性。

近些年，隨著西部地區大開發戰略的實施，西安和其他西部城市的現代化建設也逐步加快，學者對黃土深基坑的研究也越來越多，而且也取得了一定的研究成果，但是目前黃土深基坑在開挖過程中尤其是擴挖過程中，支護結構、周邊土層以及臨近結構物的力學特性對其施工的響應規律如何變化仍然需要學者進行大量的研究。文章以西安市某黃土深基坑擴挖施工為工程依托，將現場測試數據與有限元軟件數值計算結果相結合研究了既有黃土地基深基坑在擴挖時基坑支護結構的變形、周邊地層位移以及鄰近結構物的響應特征，為類似的實際工程提供一定的參考價值。

1 工程概況

擬建場地中間為一遺棄的深基坑(廢棄10 a)，深約6.5 m，東西方向長約81.0 m。南北方向寬約37.0 m。新建酒店基坑需在原廢棄基坑的基礎上進行擴挖(縱向、水平向擴挖)，擴挖深度約11.20 m。擴挖基坑南側緊鄰利之星奔馳汽車4S店的展廳，西側緊鄰停車場和維修車間，場地北側為擬建施工道路，場地東側外為魚化一路。深基坑的南側和西側坑壁均由既有地下室外墻、立柱和基礎構成，南側坑壁的柱間距(中心距)為5.9 m，西側坑壁的柱間距(中心距)為9.2 m。東側和北側東段的坑壁在腰部設有一圈鋼質腰梁和錨桿，坡率約為1∶0.2，表面噴射混凝土，錨桿長度為8.0～10.0 m。并在北側坑壁西段設置有8根圍護樁，直徑約1.2 m，長度約12.0 m，樁間距約2.5 m。擬擴挖深基坑見圖1。

圖1 擬擴挖深基坑示意圖

2 基坑擴挖施工方案

2.1 基坑擴挖施工方式

根據工程概況，深基坑擴挖采取順做法施工，在老基坑擴挖位置施作灌注旋噴樁，由于原有基坑西側和南側緊鄰既有建筑地下停車場，因此南側新基坑圍護樁離既有地下停車場地面線80 cm外的開始施作；西側拆除原有基坑一部分地下停車場頂板后，開始施作圍護樁；北側西部存在既有圍護樁基礎，因此在該圍護樁外側1m處施作新圍護樁基礎，待老基坑挖出之后，施作地下室墻面，由于老基坑存在既有圍護樁，挖出之后，新圍護樁與既有圍護樁之間存在空隙，對其進行回填，保證施作質量。圍護樁施作質量達標之后，進行土方開挖。具體施工步驟見圖2。

圖2 深基坑擴挖施工步驟

2.2 基坑擴挖支護方式

基坑支護措施采用護坡樁+錨索支護，具體支護措施見圖3?；颖眰戎ёo設計如圖3(a)所示。東側與北側支護不同的是考慮到鄰近道路車流量較大，因此采用擴大頭錨索施工；基坑西側、南側緊鄰既有建筑(西安利之星)的地下停車場，因此西側、南側基坑第一層先不進行支護，第二層開始支護，基坑西側、南側支護設計如圖3(b)所示。

圖3 錨樁支護示意圖

3 有限元分析

為分析此次深基坑擴挖對周邊鄰近結構物的影響規律，文章借助有限元軟件對基坑擴挖進行了三維數值模擬。

3.1 有限元模型

3.1.1 模型建立

本次模擬主要考慮的是基坑、既有建筑物以及道路的變形及應力特征，同時根據相關工程資料，最終定下該擴挖工程的施工深度為11 m，有限元模型的幾何尺寸為400 m×250 m×40 m，如圖4所示。

3.1.2 基本假定

由于高校圖書館主要是圍繞學校教學科研服務，也就是以學科專業類書刊作為重點收藏，因而在紅色文獻資源建設上普遍存在數量較少，結構單一，質量不高，以及開發利用不夠等問題。為了突出社會主義辦學方向，加強革命傳統教育，傳承和弘揚紅色精神，切實充實高校圖書館紅色文獻館藏意義重大，責無旁貸。以湘西紅色文獻資源建設為例，筆者采用以下一些對策方式，同時還要注意以下一些問題。

假設模型設置范圍內的土層性質均為各向同性的理想彈性材料；基坑模擬開挖分析時，模擬工況開挖為層層開挖而非放坡式開挖；支護樁、冠梁、噴混、錨桿均采用彈性材料模擬，而土體單元則假定為理想的彈塑性材料，使用修正莫爾—庫倫模型進行模擬，且支護材料始終與周邊土體變形相協調。

3.1.3 有限元建模參數選取

數值模型中，所有土層都應用修正摩爾—庫倫本構，用三維實體表示。圍護樁、冠梁用一維梁單元表示，預應力錨索、錨桿采用植入式的桁架單元進行模擬。既有建筑的條形基礎和柱子采用一維梁單元進行模擬。支護結構有限元模型如圖5所示。車庫墻板、樓板、路面以及噴混等均采用板單元模擬，對于土層參數和材料屬性，見表1～2所示。

圖4 既有基坑擴挖三維模型圖

圖5 樁錨支護有限元模型

表1 土體參數

表2 材料屬性

3.1.4 施工階段模擬

依據現場實際開挖方案，在基坑擴挖前先進行施作圍護樁及冠梁，最后再進行擴挖工作。整個基坑擴挖工作分3次進行，第1次擴挖4 m，同時施作錨桿及面層噴混；第2次擴挖3 m，同時施作錨桿及面層噴混；第3次擴挖4 m，同時施作錨桿及面層噴混?；永塾嬮_挖深度為11 m。

3.2 有限元結果分析

3.2.1 土體位移規律分析

基坑擴挖過程中各個施工階段下基坑周圍土體位移隨施工階段總體上呈現出坑內土體發生隆起，坑外土體發生沉降。未擴挖前，基坑土體基本沒有發生隆起；第1次擴挖后基坑內土體最大隆起值為37.65 mm；第2次擴挖結束后基坑內土體最大隆起值為63.51 mm，較第一次擴挖增加25.86 mm，增幅68.6%；第3次擴挖結束后基坑內土體最大隆起值能為85.69 mm，較第2次擴挖增加21.49 mm，增幅33.8%。同上，坑外土層的豎向位移也伴隨著基坑擴挖深度的增大而逐漸增大。第1次擴挖結束后，基坑外側土體最大沉降值達-2.29 mm；第2次擴挖結束后，基坑外側地表沉降最大值達3.72 mm，較第1次增加1.43 mm，增幅達62.44%；第3次擴挖結束后，基坑外側地表沉降最大值達到-17.61 mm，較第2次擴挖增加13.89 mm，增幅達373.38%。這部分區域的沉降足以導致地表外側土體造成太大的差異沉降而導致基坑外側建筑物發生傾斜，產生裂縫等不良狀況，因此基坑在第3次擴挖階段應做到短開挖、早支護、勤量測。

3.2.2 建筑物位移規律分析

施工結束后建筑物整體位移變化規律與地上建筑物位移變化規律基本相同，沉降值最大區域都位于東南角。建筑物在施工完成后總體位移值在+3.04～-3.51 mm之間變化。施工結束后，建筑物整體處于下沉狀態，只有基坑與建筑物接觸西南角的小部分區域處于微弱上升狀態。接觸部位出現微弱向上的位移可能是由于接觸部位部分建筑物基礎土體不均勻沉降造成的。整個建筑物位移變化區域也具有方向性特征即建筑物整體位移變化值主要隨東西方向方向性變化，而與南北方向基本無關。地上建筑物在施工完成后位移值在+0.05～-3.47 mm之間變化，整個地上建筑物位移云圖顯示的位移變化區域具有方向性特征即地上建筑物位移變化值主要隨東西方向方向性變化，而與南北方向基本無關。

為更好地分析黃土深基坑擴挖對周邊土體的影響范圍，提取基坑南側中線外圍土體的沉降值與水平位移值并繪制成圖6～7位移曲線。

從圖6～7分析可得：基坑擴挖后，由于土體的應力釋放，基坑周邊土體必然發生變形。當擴挖深度較小時，基坑外側土體地表沉降及水平位移都很小，而且擴挖影響范圍也較小。隨著擴挖深度的增加，土體卸荷效應越來越明顯，地表沉降以及水平位移逐漸增大，而且擴挖卸荷效應影響范圍也逐漸增大?；訑U挖至設計高程時，外側土體沉降最大值約-17 mm，發生在距基坑南側開挖臨空面10 m位置處，開挖影響范圍約2.2倍擴挖深度。地表水平位移最大值約21 mm，發生在基坑開挖臨空面，開挖影響范圍約3倍擴挖深度。顯然，地表水平位移值大于地表沉降值，表明黃土基坑擴挖引起的地表位移主要以水平位移為主。

圖6 地表沉降計算值圖 圖7 地表水平位移計算值

3.2.4 圍護樁變形規律分析

為分析基坑擴挖對支護結構的影響，以圍護樁的水平位移隨施工階段的變化對此進行了研究。從圍護樁、冠梁施工階段到第3次擴挖階段，隨著擴挖深度的增大，圍護樁水平位移也逐漸增大。第3次擴挖階段位移云圖表明北側圍護樁樁體最大水平位移24.70 mm，南側圍護樁最大水平位移16.58 mm，東側圍護樁最大水平位移值達16.31 mm，西側圍護樁最大水平位移值達11.51 mm。

此外，由南北兩側y方向圍護樁水平位移隨施工階段的變化分析可得，從圍護樁、冠梁施工階段到第3次擴挖階段，圍護樁樁體變形區域隨著擴挖深度的增加逐漸沿土體深度、寬度方向擴張，即隨著基坑擴挖深度的不斷加深，圍護樁樁體橫向的變形區域也在逐步增加，擴挖結束后圍護樁樁體最大位移區域主要集中在圍護樁中央位置，這表明基坑施工具有空間效應。

4 數值計算結果驗證

為了驗證有限元模型的計算結果，選取數值模擬計算結果與現場測試數據進行對比。

4.1 周邊建筑物沉降對比分析

圖8是由基坑西、南兩側建筑物選取特征點沉降量的對比分析圖，圖8中施工階段1～4分別表示施作圍護樁及冠梁階段、基坑第1次擴挖階段、基坑第2次擴挖階段、基坑第3次擴挖階段；兩圖圖例中“Z”表示實測特征點，“z”表示數值計算特征點。由兩圖可以分析得出：①兩圖均表明建筑物實測沉降與計算結果隨施工階段呈增大的趨勢；②兩圖建筑物沉降實測值均大于數值計算值，造成這種現象的原因可能是：①有限元模型中土體參數采取經驗參數，從而導致數值計算結果與現場測試數據存在差異性；②現場施工中地表土層的變形是復雜的非線性過程，而有限元軟件計算結果并不能考慮這些因素，但是數值計算的結論說明，其可為現場實際的施工工作提供一定的預判和參考。

圖8 建筑物沉降對比

4.2 圍護樁水平位移對比分析

圖9是由基坑四周選取的圍護樁沿深度方向水平位移實測值與計算值繪制的數據圖，圖9中樁體實測值只包括基坑擴挖深度范圍內的數據，而數值計算值，包含樁體整個深度范圍內的數據。

數據表明：圖9樁身橫向水平位移的現場實測值要稍大于數值計算值，4、11、12、13號圍護樁水平位移實測值大于數值計算值可能是因為基坑北側實際施工過程中坑外場地存在挖土和建材堆載，1～3號樁水平位移實測值大于數值計算值是基坑東側外圍是城市車行道，日常車流量大，超載的作用導致的結果。

圖9 沿深度方向實測值與計算值對比

5 結束語

文章首先介紹了深基坑擴挖施工的方案及支護方式，然后借助有限元軟件對基坑擴挖進行了三維數值分析，結果如下：

(1)基坑擴挖時，土體位移總體上為坑內土體發生隆起，坑外土體發生沉降?；訑U挖深度越大，基坑內側的土體隆起值最大，最大值達85.69mm?；油鈧鹊耐馏w沉降最大值約-17.61mm。

(2)基坑擴挖深度不同，對外側土體的影響范圍也不同，擴挖深度越大，對外側土體的擾動越大，基坑擴挖對外側土體的影響主要以水平位移為主?；訑U挖至設計高程時，外側土體沉降影響范圍約2.2倍擴挖深度，水平位移影響范圍約3倍擴挖深度。

(3)施工結束后，建筑物整體呈下沉趨勢，位移值在+0.05～-3.47mm之間變化，整個建筑物位移區域具有方向性特征即建筑物位移變化值主要隨東西方向變化，而與南北方向基本無關。

(4)隨著施工階段的進行，在基坑同一深度，支護樁水平位移最大值區域逐漸由基坑兩側向基坑中間區域遞增。

(5)數值計算結果與現場監測結果對比可知，支護樁水平位移變化規律、周圍建筑物、的計算值和實測值相差不大，總的來說，數值結果稍大于現場實際的測量值，但是其總的演化態勢則具有高度的相似性。這表明文章所提出錨樁支護的加固措施安全可靠，同時，在基坑擴挖施工中，數值模擬可為結構的設計方案作出有效評價。