深基坑开挖周边土体沉降形态的模拟研究

李守涛等：深基坑开挖周边土体沉降形态的模拟研究　１０３　深基坑开挖周边土体沉降形态的模拟研究　李守涛，刘宗仁，杨力良　（哈尔滨工业大学。　哈尔滨１５００９０）　【摘要】　为了解深基坑工程中开挖对周边土体沉降变形的影响。在归纳影响基坑开挖周边土体变形行为　因素和总结当前地面沉降计算方法的基础上，结合具体工程实例采用以Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌ￣．ｂ本构模型的有限差分法模　拟基坑支护、降水和开挖过程，分析基坑开挖对周边土体沉降的影响。　【关键词】深基坑开挖；土体沉降；有限差分法；预应力支撑　【中图分类号】ＩＵ４７３．２　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００１—６８６４（２００ｒ７）０１—０１０３—０３　ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＳ　ＯＮ　ＳＥＴｒ１．ＥＭＥＮＴ　ＯＦ　ＳＵＲＲＯＵＮＤＩＮＧ　ＧＲＯＵＮＤ　ＯＦ　ＥＩｌ口Ｅ：ＰⅨＣＡＶＡ１１ｏＮ　ＯＮ　ＰⅡ　ＬＩ　Ｓｈｏｕ—ｔａｏ，ＬＩＵ　Ｚｏｎｇ—ｒｅｎ，ＹＡＮＧ　Ｌｉ—ｌｉａｎｇ　（Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００９０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｌｅａｒｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｇｒｏｕｎｄ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｐｉｔ．　Ｂａｓｅ　Ｏｉｌ　ｈｔｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｅｓｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｇｒｏｕｎｄ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｗａｔｅｒｉｎｇ　ｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｈｔｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｆｉｎｉｔｅ—ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｈａｔ　Ｍｏｌａｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ　Ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔ｝Ｉ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｐｉｔ；ｇｒｏｕｎｄ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｆｍｉｔｅ—－ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ；ｐｒｅ—－ｌｏａｄｅｄ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｓｔｒｕｔｓ　基坑开挖造成卸载并使土体向坑内移动。一般情况下，　的拟合分析，将地表沉降区分为主要沉降影响区和次要沉降　水平方向的应力释放与调整是构成周边地层土体位移的主　影响区。唐盂雄（１９９０）　根据工程实测资料反演墙顶和墙　要原因。开挖或工程降水引起地下水位变化使土中的有效　身位移分布函数。推导出地表任意点沉降计算公式。　应力增加，也会导致土体产生压缩或固结造成地表沉降。影　随着计算设备的不断发展和岩土本构模型的不断完善，　响深基坑开挖周边土体变形行为因素可归纳为三项：①先天　模拟计算在深基坑工程中得到了广泛的应用，本文以弹塑性　条件：包括土层特性、地下水的分布、工区环境、邻房分布、交　Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ本构模型为基础，利用有限差分法对基坑开　通状况等。②设计条件：开挖区形状、开挖深度、挡土结构、　挖过程中周边土体的沉降形态进行分析。　支撑系统、预应力大小、开挖顺序及方法、永久结构施工方法　１本构模型【６　等。③施工顺序、施工抽水控制、开挖时机及技术、挡土结构　Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌ￣ａｂ本构模型在（　，　）平面的破坏准则如　的水密性、支撑系统施工技术、预应力的施加时间、支撑拆除　图１，由Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服函数定义的从Ａ从到Ｂ从的破　及回填等。　坏包络线为：　到目前为止，对深基坑开挖周边土体沉降形态的研究主　要有：工程经验估算方法，有限元和无限元耦合计算方法，有　ｆ：ｏ　一ｏ　Ｎ　２ｃ　Ｎ　限单元法，反演分析法。在顺作法施工条件下，Ｐｅｅｋ（１９６９）　Ｊ　从Ｂ点从到Ｃ点拉应力屈服函数为：　根据美国芝加哥、挪威奥斯陆等地的现场地表观测资料，提　，＝　‘一　３　出对不同土层分析墙后地表沉降和沉降范围的经验关系曲　式中。　为摩擦角；ｃ为粘聚力；　为抗拉强度；　．，　１＋ｓｉｎ　线以及相应的经验估算方法。侯学渊（１９８９）　用以非线性　Ｖ９　１——－ｓｉｎ￣　的Ｂｌｏｔ固结理论为基础的有限元和无限元耦合计算方法，结　材料强度不得超过如下定义的　Ｉ眦　合若干工程实测资料，将墙体变形分为三角形和抛物线形两　ｔ　Ｃ　种模式，并分别给出了估算地表沉降的经验公式。Ｏｕ等人　ａｒｔａ　（１９９３）【３　研究指出，开挖所引致之地表沉陷曲线型态有两　２工程概况　种。一为凹槽型（ｃｏｎｃａｖｅ　ｔｙｐｅ），二为拱肩形（Ｓｐａｎｄｒｅｌ　ｔｙｐｅ）。　２．１工程简介　发生此两种形态的最主要原因决定于挡土壁的变形大小及　位于市区内部某高层综合楼基坑工程，周边有住宅小区　型式。Ｈｓｉｅｈ（１９９８）【４　基于九个采用不同支护方法工程实例　分布。本文以该基坑的开挖为模型，分析基坑开挖过程对周　维普资讯 http://www.cqvip.com

１０４　低温建筑技术　２ＯＯ７年第１期（总第１１５期）　围一体的影响。该基坑深１８ｍ开挖分五个阶段，每开挖阶段　的开挖深度与降水深度，架设水平支撑的位置以及开挖基坑　的土膳分布。土层与土性参数指标如表１所示。　２＿２支撑体系　该基坑周边采用地下连续墙作为其维护和止水结构，地　自由边界Ｏ非开挖区地下水水位固定，开挖区水位依据开挖　深度逐层降水，并设定地下连续墙底部土层为不透水层。　４模拟计算与分析　为了解基坑开挖对周围土体的变形影响，本文采用如下　几种方案与实际工况进行对比研究。　下连续墙深３４ｍ底部为级配良好的饱和砾石层，墙体厚为　１ｍ，水平支撑采用间距为２ｍ的预应力钢梁。各阶段水平支　撑的位置和钢梁的参数如表２所示，水平支撑与地下连续墙　连接处采用铰接形式。　表１　土层编号土　４．１无支撑开挖地表土体沉降与地下连续墙变形分析　在开挖初期挡墙顶端的支撑还未架设，无法提供足够的　刚度去抵抗挡墙顶部向内位移，挡墙顶端产生类似悬臂式的　位移。　’　土层与土性参数指标　度体　剪　量孔　Ⅲ，　嘲琏翳　左侧到地下连续墙的距离ｄｉｍ　图１悬臂开挖地表土体沉降形态　越　聪　磐　鲻　喇　钢梁编号　支撑点深度，ｍ　横截面面积，ｒｎ２　截面惯性矩，ｍ４　舞　地下连续墙位移６　ｈ／ｍ　图２悬臂开挖地下连续墙变形形态　悬臂开挖时，在随开挖深度不断增加基坑周边土体沉降　３计算模型、初始应力及边界条件　３．１分析模型采用对称网格　建立以基坑中轴线为对称轴的网格模型　分析范围为　基坑断面１５０ｍ×６０ｍ基坑开挖处周边土体网格逐渐加密。　范围不断加大，其影响范围约为２Ｈ（Ｈ为基坑开挖深度）。　如图１、２所示沉降区与连续墙的变形形态均为肩拱形，连续　墙弯曲变形深度约２Ｈ与地表沉降区范围大致相同。悬臂　开挖沉降区的最大沉降位于基坑开挖处，最大沉降量为艿～　与地下连续墙最大变形　的关系为　一＝　Ｈ／ｌＯ。随　地下连续墙与周边土层网格利用接触面单元耦合连接，从而　实现土体与连续墙间的摩擦力的传递。土体本构模型采用　Ｍｏｌａｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ本构模型。　着开挖深度加大墙体变形与地表沉降的增加速度加快。由　模拟计算数据分析可知，对于该基坑开挖场地采用上述设计　的连续墙实施悬臂开挖时，在满足周边土体沉降要求时开挖　深度不得超过６ｍ。　３．２水平支撑钢梁与地下连续墙的连接采用耦合铰接　水平支撑钢梁的材料特性依据Ｄｏｎｏｖｓ￥１（１９８４）　提出的　三维问题二维简化法进行设置，即按照材料的特性的线性比　４．２钢梁水平支撑开挖，普通支护和预应力支护对比分析　例来分配具有规则间隔钢梁之间的离散加固作用。　３．３为减小计算网格的初始变形　依据各土层的参数、地下水水位和侧压力系数施加初始　应力后再进行土体的初始应力场计算。基坑开挖前基坑周　边土体无初始位移。　３．４模型初始边界条件　左、右边界采用滚轴支座，只约束　方向的位移；底部　边界也采用滚轴支座只约束ｌ，方向的位移；上部边界设为　当水平支撑架设后，支撑处连续墙的移动被抑制住，使　支撑位置以下地下连续墙产生向基坑内部位移形态。对支　撑施加不同组预应力，各组预应力数值大小如表３所示。　采用支护开挖基坑开挖至设计标高１８ｍ时，基坑周边土　体沉降影响范围约为２日（日为基坑开挖深度１８ｍ）。沉降区　与连续墙变形形态如图３、４均为凹槽形，最大沉降量艿一位　于距离基坑开挖处约０．５Ｈ，地下连续墙的最大位移位于略　大于一倍基坑开挖深度处，同时在不同条件下的最大沉降量　维普资讯 http://www.cqvip.com

李守涛等：深基坑开挖周边土体沉降形态的模拟研究　目、∞。■世娉　１０５　一和连续墙的最大变形量　。一有　一＝１．３凸　～。　表３　各组预应力参数　ｋＮ　由对比分析的结果可知，水平支撑钢梁施加的预应力对　控制基坑开挖时周边土体沉降和地下连续墙变形具有明显　的效果。如图５所示施加预应力的总和与最大沉降量　～　和连续墙的最大变形量　近似成直线关系。为了解预应　力影响的效果在模拟分析时采用第二组预应力值单独增加　４号水平支撑的预应力，使预应力总和与第三、四组分别相　同。这时预应力对控制土体沉降和连续墙变形的效果较整　体增加预应力的效果差。　Ⅲ／《毯聪阜ｆ　蜊　黛　５　Ｄ　５　一　Ｏ　５　Ｏ　左侧到地下连续墒的距离ｄ／ｍ　地下连续墙位移６　ｈ，ｍ　图４水平支撑开挖地下连续墙变形形态　总预应力／ｋＮ　圈３承乎支撑开挖地表土体沉降形态　图５总应力与最大沉降和位移关亲　４．３地下连续墙两侧水压差对沉降和连续墙变形影响分析　基坑内外水压力差引起的地表土体沉降很小。水压力差对　地下连续强的变形影响相对于整个基坑开挖总变形比较小。　模拟计算时设定地下连续墙底部土层为不透水层，同时　认为地下连续墙在基坑施工期间不透水。如图６模拟分析　结果显示，由基坑内降水而产生地下连续墙内外水压差引起　地下连续墙变形很小，基坑周边土体地表也没有明显沉降。　（４）基坑工程导致周边土体沉降不可避免，影响其变　形行为因素很多，分析起来也相对比较复杂。只有在工程实　践和理论模拟计算相结合的基础上才能进一步透彻认识了　解，从而对土体沉降采取一定的措施加以控制使得均匀沉降　和侧向变形在允许的控制范围内。　目　参考文献　醛　磐　蜊　簧　［１］Ｐｅｅｋ　Ｒ　Ｂ．Ｄｅｅｐ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｎｄ　ａｔｕｎｎｄｉｎｇ　ｉｎ　ｓｏｆｔ　Ｓ￣ｍｄ［Ｃ］．Ｐｒｏｅ．Ｔ　ＩＣＳＩＶＩＦＥ　Ｓｔａｔｅ一０ｆ—ｔｈｅ—Ａｒｔ—ＶｏｌｕｍｅＭｅｘｉｃｏＣｉｔｙ，１９６９．　［２］侯学渊，陈永福．深基坑开挖引起周围地基土沉陷的计算［Ｊ］．　岩土工程师，１９８３，（１）：１．　［３］Ｏｕ　Ｃ　Ｙ，Ｐ　Ｇ　Ｈｓｉｅｈ，Ｄ　Ｃ　Ｃｈｉｏｕ．Ｃｈａｒｎｅｔｅｒｉｓｔｌｅｓ　ｏｆ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｅｔｔｌｅｒｎｅ￣ｔ　Ｄｕｒｉｎｇ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｓｎｌｌｄｉａｎ　Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｅａｌ　Ｊ￣ｔｒｎａｌ，　地下连续墙位移６　，ｍ　１９９３，３０（５）：７５８—７６７．　图６对比地下连续墙变形图　５结语　Ｅ４］Ｈｓｉｅｈ　Ｐ　Ｇ，Ｏｕ　Ｃ　Ｙ．Ｓｈａｐｅ　ｏｆ　３５．　ｍｄａｃｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｐｒ￣ｄｅｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｅ￣ｅａｖａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｃａｎ．Ｃ，ｅｏｔｅｃｈｎｌｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９８，（４）：　［５］唐孟雄，赵锡宏．深基坑周围地表任意点移动变形计算及应用　（１）深基坑开挖时，无论是否采用水平支撑体系对基坑　周边土体影响范围均约为２倍的基坑开挖深度，水平支撑体　系中开挖最大沉降位于０．５倍基坑开挖深度处。两者差别在　于地表沉降的形态和适用的开挖深度，所以在选择支护形式　时要结合工程的开挖深度和对沉降的控制要求合理设计。　（２）对于开挖深度较大沉降量需严格控制的基坑工　程，架设水平支撑体系同时施加预应力对减小基坑周边土体　沉降有明显的效果。基坑周边土体最大沉降量和地下连续　［Ｊ］．同济大学学报，１９９０，２４（３）：２３８—２４４．　［６］ＩｔｈａｃａＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　ＧｌⅧｐ，ｌｎｅ．ＦＬＡＣ（Ｆａｓｔｂ　８ｎＡｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆＣｏｎ・　ｔｉｎｕａ）Ｕｓｅｒ　Ｍａｎｕａｌｓ，Ｖｅｒｓｉｏｎ５．０，Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ，２００５，５．　［７］Ｄｏｎｏｖｎ　ａＫ，Ｗ　Ｇ　Ｐａｒｉｓｅａｕ，Ｍ　ｃ　．Ｆｉｎｉｔｅ　ｄｅｍｅｎｔ　ａｐｐｒｏａｃｈｔｏ　ｃａ．　ｂｌｅ　ｂｏｌｔｉｎｇ　ｉｎ　ｓｔｅｅｐｌｙ　ｄｉｐｐｉｎｇ　ＶＣＲ　Ｓｌｏｐｅｓ　Ｇｅｏｍｅｅｈａｎｉｅｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＨａｒｄｒｏｃｋＭｉｎｉｎｇ，［Ｊ］。ＮｅｗＹｏｒｋ：Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆＭｉｎｉｎｇＥｎ一　ｎｅｅｒｓ，１９８４，６５—９ｏ．　墙最大变形量与施加总预应力的大小成线性关系。－　（３）基坑开挖过程中，地下连续墙如可以起到很好的　［收稿日期］２ＯＯ６—０９—２０　［作者简介】李守涛（１９８１一），男，黑龙江鹤岗人，硕士研究生，　从事结构工程方向研究。　止水作用，使基坑底部不因基坑内降水而产生强渗流，此时