烟台某深基坑工程开挖变形性状分析
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摘要： 根据烟台市区某深大基坑工程数值模拟分析及现场实测等相关数据，分析了基坑开挖引起的相关变形性状。数值分析表明，水平侧向位移沿深度方向呈“上大下小”的特点；不同支护形式下，墙后地表沉降及坑底隆起变形曲线有所不同，随着支护强度的增大，墙后地表最大沉降发生位置距基坑侧壁距离越远；靠近基坑侧壁坑底隆起量最小，隆起量随距侧壁距离的增大而增大，至1.0H处（H为最终开挖深度）隆起量变化趋于稳定；由实测数据可知，该案例最大侧向位移低于0.1%H，较其他软土地区类似工程变形数据值明显偏小；由于土体采用弹性模型，实测的基坑变形量小于数值模拟分析结果。作为烟台地区有影响的工程，该案例相关研究成果可为类似工程提供参考。
关键词：深基坑；水平位移；地表沉降；坑底隆起；烟台
Abstract: Numerical analysis and field monitoring are studied to analyse the characteristics of a deep excavation in Yantai. It can be seen from the numerical analysis results that the horizontal deformation has the feature which the largest deformation situated on the ground surface and the least one lay on the bottom. Ground settlements and bottom heave varied under different support systems. The stronger the system was, the further the location of the maximum settlement from the excavation was. The least bottom heave located near the excavation, and it increased with the distance from the excavation. When the distance arrived at 1.0H, where H is the final excavation depth, the bottom heave increased to a stable value. Based on the observed data, the monitored maximum horizontal deformation was less than 0.1% H, which is apparently less than the ones in the soft soil area. The observed performance were less than the ones which were calculated by the numerical analysis. As an important project in Yantai, the collection study could offer the reference for the similar project.
Key words: deep excavation; horizontal deformation; ground settlement; bottom heave; yantai
中图分类号：TV551.4文献标识码： A文章编号：
1引言
随着经济的快速发展和人口数量的不断增加，近些年来，烟台地区完成了大量的高层建筑及市政工程建设，与此同时，大量的建筑规划也在紧锣密鼓的进行中，其中很多工程建设位于市中心繁华地带。在这种环境下，一方面，基坑工程向着更大、更深、支护结构更复杂的方向发展；另一方面，多数深基坑工程周围环境复杂，由深基坑施工引发的环境效应问题日益突出。
对于工程设计人员来说，掌握基坑侧向变形与地表沉降的变形特点非常重要。由于基坑工程有很强的个性，土层条件、围护墙形式、支撑系统刚度、施工工况、降水、温度变化等均在不同程度上制约着基坑的变形。因此，综合考虑以上因素来研究深基坑工程的变形性状依然是岩土工程界关注的焦点。
深开挖课题研究主要采用数值分析和现场实测进行。目前数值分析已经在基坑工程中得到广泛应用，Ou（1998）等学者对深基坑的数值模拟做了较多的工作；现场实测作为对基坑变形的综合反映，Long（2001）等学者对深基坑开挖的实测数据进行了较完整的分析研究。本文以烟台某深大基坑为背景，利用有限元分析软件PLAXIS 建立有限元分析模型，研究了土钉墙与桩锚支护下的深基坑开挖相关变形特征，分析了不同支护形式对基坑变形的影响，最后将分析结果与现场实测数据进行对比，从而为优化设计提供理论参考。
图1基坑平面图及主要监测点布置
Fig.1Layout of excavation and instrumentation
2工程项目介绍
2.1工程概况
场地位于烟台市中心地带，北侧为市区中心主干道路南大街、东侧为西南河路、南侧为毓璜顶东路、西侧为民房。该工程案例为A、B、C三个施工区域，A区位于场地北侧，上部结构包括一幢33层主楼；B区位于场地东侧，上部结构包括四幢33层主楼；C区位于场地南侧，为3层地下车库。基坑平面形状不规则，总周长约795.0m，设计大面积开挖深度为12.4~14.2m，局部21.0m。基坑开挖顺序由B到A再到C进行。基坑平面图见图1。
2.2地质条件
工程场地属于山麓斜坡地貌，地势相对平坦。开挖深度影响范围内以粉质粘土为主，坑底位于风化岩层，开挖前地下水位位于地表下1.8m左右，地基土层主要物理力学性质指标见表1所示。
表1土层物理力学性质指标
Table 1Physical and mechanical parameters of soils
2.3支护结构
支护方案采用土钉墙与桩锚支护作为挡土结构。A区与C区场地西侧采用桩锚支护，桩径0.8m，桩间距1.5m，锚固体直径120mm，一桩一锚，锚索水平间距1.5m，入射角为15°。A区西侧锚索自上而下共4道（长度依次为18.0m、18.0m、18.0m、16.0m），竖向间距3m，开挖深度15m；C区西侧锚索自上而下共5道（长度依次为25.5m、25.5m、20.0m、18.0m、17.0m），竖向间距3m，开挖深度21m；场区其余部分采用上部土钉结合下部一道锚杆支护，（土钉长度依次为12.0m、12.0m、12.0m、12.0m、6.0m、6.0m，锚杆长度为6.0m），竖向间距1.5m，开挖深度12.4~14.2m。土钉墙上部坡角51°，放坡比例1：0.8，下部坡角63.4°，放坡比例1：0.5。剖面图见图2。
剖面1
剖面2 剖面3
（标高单位为m，其他单位为mm）
图2基坑典型剖面图
Fig.2Typical cross section of excavation
为了解基坑施工过程中支护结构、地基及周围环境的反映，现场设置了多个测试项目，其中重点监测项目为基坑的地表测斜与沉降。主要监测点平面布置见图1。
3有限元数值模拟
3.1计算模型
根据以往的工程经验及有限元计算结果，基坑开挖影响宽度约为开挖深度的3-4倍，影响深度约为开挖深度的2-4倍，再扩大计算范围对基坑变形没有显著的影响。本文采用2D分析方法，计算中考虑到基坑形状的对称性，以及缩短计算时间、提高计算精度，取基坑宽度的一半进行分析，故建立的模型中三个剖面长宽依次为70m×30m、90m×40m、90m×50m。
有限元计算中，土体采用15结点三角形单元模拟，挡土墙用板单元模拟，用10结点无厚度接触面单元来模拟挡土墙两侧与土的接触面。本文利用PLAXIS软件自动划分网格划分单元，在“划分精度”中选择“精细程度”。
地面超载按照设计值20kPa计算，作用在距基坑2m以外，宽度10m。
基坑土方开挖遵循“开挖支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则，按照对称开挖的模式分步开挖。
3.2基本假定
(1) 假定开挖过程历时较短，采用总应力法分析，不考虑土的固结和渗流的影响；
(2) 不考虑前期施工对初始应力场的影响；
(3)A、B、C三场区土钉支护中土钉长度略有不同，但相差不大，计算时统一采用剖面1中的土钉参数。
3.3计算参数
土体采用摩尔库伦模型，围护结构弹性模型（E=21000MPa， μ=0.3）,杂填土（E=5MPa， μ=0.3）,粘土（E=15MPa，μ=0.3）,碎石（E=50MPa， μ=0.3）,强风化层（E=80MPa，μ=0.3）,中风化层（E=150MPa, μ=0.3），土体其他基本参数见表1。
3.4变形场云图
通过有限元数值分析，开挖至坑底后，各剖面变形场云图见图3。
剖面1’
剖面2’
剖面3’
图3变形场云图
Fig.3 Deformation cloud chart
4计算结果与分析
4.1水平侧向位移
图4为剖面2与剖面3（桩锚支护）在开挖结束后基坑水平侧向位移。图中包括了两个剖面沿深度的侧向位移模拟值以及围护桩顶侧向位移实测值。
图4开挖结束后基坑水平侧向位移
Fig.4Horizontal displacements of pit after the excavation
现场实测了围护桩顶的侧向位移，剖面2、剖面3开挖完成后桩顶侧移实测值分别为6.1mm、10.2mm，符合相关监测规范的要求。由图4数值模拟曲线可知，侧向位移变形呈典型的“三角形”特征，即上部变形最大下部变形最小。剖面2、剖面3最大侧向位移均发生在桩顶位置，位移值分别为13.2mm、19.8mm，两剖面最小侧向位移均发生在围护桩底位置，位移值为分别1.7mm、1.5mm。
比较图4中的模拟值与实测值，实测值较模拟值偏小，原因是由于PLAXIS数值模拟中土体采用摩尔库伦模型，其假定为线弹性体，而实际中土体为弹塑性体，此外，施工等外部条件也会影响实测值与模拟值的吻合。由于现场实测条件的局限性，现场没有埋设沿深度方向的侧移监测设备，有限元数值模拟可以较好地模拟侧移发展曲线（见图4），因此数值模拟分析对基坑工程的研究有重要作用。
图5 最大侧向位移与基坑开挖深度关系
Fig.5 Relationship between maximum lateral wall deflections and excavation depth
如之前分析，本案例最大侧向位移位于桩顶位置，图5表示最大侧向位移与基坑开挖深度关系。由图可知，本工程案例实测最大侧移小于0.1%H （H为最终开挖深度）。Long（2001）曾收集了多个国家地区基坑变形数据，图5中展示了其收集的部分基坑变形数据，徐中华（2009）等人总结的上海地区深基坑变形数据也包括在数据图中。比较以上数据可知，基坑不同支护形式（如地下连续墙、排桩、板桩）对控制变形影响较大，大部分基坑最大侧向位移值介于0.1%~1.0%H之间，本案例最大水平位移低于0.1%H，较台湾和上海地区类似基坑工程明显偏小，其中土层条件是导致变形差异的主要因素，此外，基坑的施工条件及几何形状的不同也是影响变形的重要因素。
4.2地表沉降
图6坑外地表沉降距坑壁不同距离变化曲线
Fig.6Surface settlements with distance from excavation
图6为距基坑不同距离地表沉降分布曲线。由图中数值模拟沉降曲线可以看出：剖面1与剖面2、3沉降曲线略有不同。对于土钉墙（剖面1）支护下基坑坑后地表沉降曲线为马鞍形，最大沉降发生位置位于1.0H范围内，沉降显著影响范围为距基坑2.0H；对于桩锚（剖面2与剖面3）支护下基坑坑后地表沉降曲线为抛物线形，最大沉降发生位置位于1.5H范围内，沉降显著影响范围为距基坑3.0H。此外，由变形曲线可以看出，支护强度越大，最大沉降发生位置距基坑侧壁越远。
现场监测了距基坑侧壁3.0m范围内地表沉降值，对比沉降实测值与模拟值可知，两者数值上有一定差别，实测值较模拟值偏小，但两者变形特征类似，同时由实测数据与模拟曲线可知，在靠近基坑位置处，由于支护强度不同，剖面1沉降值大于剖面2与剖面3，由于开挖深度的不同，剖面3沉降值大于剖面2。
4.3坑底隆起
图7开挖结束后基坑坑底隆起
Fig.7 Bottom heave of pit after the excavation
图7为开挖结束后基坑坑底隆起数值模拟变化曲线。由图可以看出，坑底隆起量在靠近基坑侧壁处最小，随距基坑侧壁距离的增大，隆起量逐渐增大，在1.0H位置处趋于稳定，最大隆起量在基坑中间位置。此外，不同支护形式下的坑底隆起变形曲线略有不同，对于土钉墙支护（剖面1），靠近基坑侧壁位置处坑底隆起量大于锚喷支护（剖面2与剖面3），但基坑中间位置处坑底隆起量小于桩锚支护。由于开挖深度的原因，剖面3坑底隆起量大于剖面2。
5 结语
基于烟台某深基坑的数值分析与实测数据的基础上，得到以下结论：
(1) 通过有限元数值模拟分析，水平侧向位移变形曲线呈“三角形”，即上大下小特点；现场实测桩顶位移满足相关规范要求，由于土体模型假定为弹性体，位移实测值较模拟值偏小。
(2) 比较不同地区现场实测数据可知，基坑不同支护形式（如地下连续墙、排桩、板桩）对变形控制影响较大，该案例最大水平位移低于0.1%H，较台湾及上海等软土地区类似基坑工程明显偏小，土层条件是导致不同变形的主要因素，
(3) 不同支护形式下墙后地表沉降曲线有所不同。土钉墙支护下地表沉降曲线为马鞍形，最大沉降发生位置位于1.0H范围内，沉降显著影响范围为距基坑2.0H；桩锚支护下基坑坑后沉降曲线为抛物线形，最大沉降发生位置位于1.5H范围内，沉降显著影响范围为距基坑3.0H。随着支护强度增大，最大沉降发生位置距基坑侧壁距离越远。靠近基坑侧壁位置地表沉降实测值较数值模拟值偏小。
(4) 该案例有限元分析表明，坑底隆起量在基坑侧壁处最小，最大隆起量在基坑中间位置处。不同支护形式下的坑底隆起变形曲线特征略有不同。
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