随着经济与社会的快速发展, 为满足建设需求, 产生了很多深度较大且周边环境复杂的基坑。基坑工程是大型的土体开挖工程, 其施工开挖将直接导致基坑周围土体的应力重分布, 同时伴随较大的地表沉降与不均匀沉降, 不利于周边环境的安全^[1]。根据现代基坑工程的特点, 在设计过程中, 对变形的控制越来越严格, 目前控制变形参数的设计方式已经取代之前控制强度参数的设计方式^[2,3]。在基坑开挖过程中, 必须全面系统地监测基坑支护结构以及周边环境, 以利用监测结果评估基坑的安全性, 调整施工情况或者设计参数, 以确保基坑施工的顺利进行^[4]。

有限元分析是基坑模拟和变形研究的有效手段, 通过有限元进行了大量研究^{[5,6,7,8,9,10,11]}。狭长形软土深基坑由于其独特的形状和特殊的地质条件, 其变形规律有别于传统基坑, 为进一步研究其开挖过程中的变形规律, 通过Midas GTS NX有限元软件以及现场监测实例, 综合分析, 互相印证了其变形特点。

基坑变形主要由3部分组成:基坑坑底隆起量、基坑围护结构的变形量、基坑周围地层移动量。基坑的开挖过程实质上是基坑开挖面上土体的卸荷过程, 卸荷后基坑底部土体的残留应力会导致坑底回弹, 从而产生向上的位移, 与此同时, 围护结构内侧土压力减小和外侧土压力不变导致基坑两侧产生压力差, 进而围护墙后土体向基坑方向发生侧向变形和竖向位移。在对有支撑支护的基坑工程施工时, 一般情况下都是先开挖再支撑, 在支撑系统发挥作用之前挡土墙已发生了一定的变形。对于位移量较少的围护墙, 土体与围护墙面之间存在摩擦力, 该摩擦力在一定范围内会有效阻止土体移动, 因此墙体周围土体的沉降量较小, 而沉降范围相对来说一般比较大, 沉降量约为其沉降范围的0.5倍。基坑围护结构变形、基坑底部隆起和基坑周围地层移动这3部分内容相互关联, 而引起基坑周围土体移动的主要原因是基坑底部隆起和围护墙的位移, 所以控制基坑变形最重要的内容是控制基坑周围地层的移动。

广州南沙明珠湾区起步区一期 (灵山岛尖) 公共部分地下空间西侧基坑长约310m, 宽约50m, 开挖深5~8m, 且淤泥质土厚度达16m, 是典型的狭长形软土深基坑。应用Midas GTS NX软件建模, 模拟广州南沙明珠湾区起步区一期 (灵山岛尖) 公共部分地下空间项目。模型通过导入CAD二维线框, 扩展得到三维实体, 再划分三维网格得到。单元总数为61 348, 结点总数为36 983。模型尺寸为320m×120m×40m, 如图1所示。

根据实际工程情况, 结合有限元数值模拟方法, 将土体简化为4层, 分别为素填土、淤泥质土、粉细砂和中粗砂。采用修正Mohr-Coulomb模型, 土体采用实体单元模拟, 其主要参数如表1所示。

对于支护结构, 支护桩采取刚度等效理论计算混凝土灌注桩等效后的地下连续墙厚度, 基坑单排混凝土灌注桩的规格为1 000mm@1 200mm, 根据刚度等效原理, 可求得墙厚H=0.8m。支护结构的主要参数如表2所示, 有限元模型如图2所示。

根据工程实际情况, 结合有限元数值模拟方法, 设置5个施工阶段, 各施工阶段激活钝化情况为: (1) 初始应力分析激活所有土层, 施加自重与位移约束, 位移清零; (2) 地下连续墙、立柱施工激活地下连续墙、立柱、立柱桩, 施加立柱、立柱桩扭转约束; (3) 开挖1钝化基坑部分的第1层土, 激活冠梁; (4) 开挖2钝化基坑部分的第2层土, 激活内支撑与腰梁; (5) 底板施工激活底板。

选取基坑长边中部、短边中部的基坑外侧土体, 以二次开挖后的土体沉降为研究对象, 提取模型计算结果如图3所示。由图3可知, 基坑外侧土体沉降曲线大致呈漏斗形。从支护桩处向基坑外, 地表沉降量先下降后上升, 最后逐渐趋于平缓。基坑长边中部第1次开挖后的地表沉降量, 在距离围护桩4m处达到最大3.0mm, 第2次开挖后, 最大沉降量达到7.5mm;同时, 最大沉降位置也逐渐远离支护桩, 到达距离支护桩8m处。基坑短边中部第1次开挖后的地表沉降量, 在距离围护桩3m处达到最大值3.3mm, 第2次开挖后, 最大沉降量也显著增大到7.9mm;同时, 最大沉降位置也逐渐远离支护桩, 到达距离支护桩7m处。

第1次开挖后, 土体水平位移云图如图4a所示。基坑外侧土体靠近支护桩处水平位移最大, 由支护桩向外, 水平位移逐渐减小。最大水平位移为18.3mm, 出现在基坑北侧支护桩附近, 距基坑东侧约40m的位置。

第2次开挖后, 土体水平位移云图如图4b所示。由支护桩向外, 基坑外侧土体水平位移先稍增大, 后逐渐减小, 最大水平位移位置稍偏离支护桩。第2次开挖后的最大水平位移为30.8mm, 位于基坑内部靠近支护桩处。

选取基坑长边中部的外侧土体2次开挖后的水平位移为研究对象, 提取模型计算结果如图5所示。基坑外侧土体水平位移量大致随与基坑支护桩距离的增大而减小, 最大位移于支护桩附近, 说明支护桩有效地约束了土体的水平位移。开挖第1层土后, 土体最大水平位移出现在支护桩处, 最大值为17.9mm;开挖第2层土后, 土体最大水平位移位于稍偏离支护桩处2m左右的位置, 最大水平位移为16.7mm。除最大位移外, 第2层土开挖后周围土体的水平位移较第1层土开挖后有了明显增大。

开挖第1层土后, 围护桩等效成连续墙的水平位移云图如图6a所示。开挖第1层土后的基坑长边围护桩顶部, 水平位移在每片地下连续墙内的中间位置最大, 向两边逐渐减小;从深度方向看, 靠近地表位置处围护桩水平位移最大, 向下逐渐减小, 围护桩插入土体的部分基本不受影响;最大水平位移为18.3mm, 位于基坑北侧围护桩顶部距基坑东侧约40m的位置。

开挖第2层土后, 围护桩等效成连续墙的水平位移云图如图6b所示。从水平方向看, 围护桩水平位移仍是在每片地下连续墙内的中间位置最大, 向两边逐渐减小;从深度方向看, 最大位移位置随土方开挖而下移, 到达基坑开挖深度附近的位置;最大水平位移明显增大, 达到30.2mm, 最大位移出现的位置也与之前不同, 位于基坑北侧距基坑西侧约40m, 深度约9m处。

以第2次开挖的最大水平位移附近处, 围护桩2次开挖后深度方向的水平位移为研究对象, 提取模型计算结果如图7所示。开挖第1层土后围护桩随深度变化的水平位移曲线大致呈上凸的圆弧形, 由上到下, 水平位移逐渐减小;开挖第2层土后, 围护桩随深度变化的水平位移曲线大致呈“凸肚状”, 即上、下部水平位移较小, 而靠近基坑开挖底部位置处水平位移最大。因此, 及时施加内支撑可有效减小围护桩水平位移。

通过有限元软件Midas GTS NX, 主要选取围护桩刚度与内支撑刚度2个因素, 计算与分析影响狭长形基坑变形的主要因素和次要因素, 并得到各个因素对变形的影响规律。取地下连续墙厚度为0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2m, 其他参数保持不变, 计算分析此时围护桩及周围地表的变形情况;本工程原采用截面为0.8m×1m的钢筋混凝土内支撑, 为进行分析, 取内支撑截面高度为0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4m, 其他参数保持不变, 计算分析此时围护桩及周围地表的变形情况。

1) 对围护桩水平位移的影响不同地下连续墙厚度下的围护桩 (已等效为地下连续墙) 随深度的变形情况如图8a所示, 其最大水平位移值随厚度的变化情况如图8b所示。地下连续墙最大水平位移随地下连续墙厚度的增大而减小, 当地下连续墙厚度由0.4m增大到1.2m时, 地下连续墙最大水平位移从40mm减小到24mm。由此可见, 围护桩刚度对地下连续墙水平位移影响较为显著, 尤其在基坑开挖深度附近的最大水平位移。同时, 围护桩顶部的水平位移值随地下连续墙厚度的增大而增大, 其主要原因是当围护桩的刚度较小时, 围护桩的柔性比较大, 支护结构的受力以支撑为主, 所以在支撑作用下, 支护桩产生弯曲, 处于支撑上部的桩体位移会减小, 而支撑下部的桩体位移却增大;当围护桩的刚度增大时, 围护桩的柔性减小而刚性增大, 支护结构受力以支护桩受力为主, 所以, 虽然围护桩的最大变形是减小的, 但桩顶变形却增大, 因此围护桩的刚度与支撑刚度处于一个合适的比例量级才能很好地协调支护结构的变形。

2) 对地表沉降的影响不同地下连续墙厚度的基坑周围土体的地表沉降如图9a所示, 其地表沉降最大值随地下连续墙厚度的变化情况如图9b所示。最大地表沉降值随地下连续墙厚度的增大而减小, 当地下连续墙厚度由0.4m增大到1.2m时, 最大地表沉降值从10.3mm减小到6.4mm。但围护桩刚度对地表沉降的影响, 仅在距围护桩6m左右的最大沉降处时较为明显, 对其余地方的影响并不明显。此外, 随着地下连续墙厚度的增大, 最大地表沉降值减小的幅度也逐渐减小, 这说明随着地下连续墙厚度的增大, 围护桩刚度对地表沉降的影响逐渐减弱。

3) 对地表水平位移的影响不同地下连续墙厚度下的基坑周围土体的地表水平位移如图10所示。尽管地表水平位移基本上随地下连续墙厚度的增大而减小, 但其变化的幅度不大, 说明围护桩刚度对地表水平位移的影响较小。

1) 对围护桩水平位移的影响不同内支撑截面高度下的围护桩 (已等效为地下连续墙) 随深度的变形情况如图11a所示, 其最大水平位移值随内支撑截面高度的变化如图11b所示。内支撑刚度对地下连续墙水平位移的影响仅在基坑开挖深度8m范围内稍明显, 对其他范围的影响很小。地下连续墙最大水平位移随内支撑截面高度的增大而减小, 内支撑截面高度从0.6m增大到1.4m时, 地下连续墙最大水平位移也从31.3mm减小到27.5mm, 且减小的幅度也逐渐减小。由此可见, 改变内支撑的刚度对围护桩的水平位移影响较小。

2) 对地表沉降的影响不同内支撑截面高度下的基坑周围土体地表沉降如图12所示。尽管基坑周围土体地表沉降基本上随内支撑截面高度的增大而减小, 但其变化的幅度不大, 说明内支撑刚度对地表沉降的影响较小。

3) 对地表水平位移的影响不同内支撑截面高度下的基坑周围土体地表水平位移如图13a所示, 其地表最大水平位移随内支撑截面高度的变化如图13b所示。内支撑截面高度对地表水平位移的影响仅在与地下连续墙距离较近的范围内较明显, 对远离地下连续墙的范围影响几乎为0。地表最大水平位移随内支撑截面高度的增大而减小, 内支撑截面高度从0.6m增大到1.4m时, 地表最大水平位移也从26.9mm减小到19mm, 且减小的幅度也逐渐减小。

选取位于基坑长边中部的测斜点XJ11, 利用已有监测数据, 绘制出围护桩水平位移曲线, 如图14所示。其中, 正值表示朝向基坑内部的位移, 负值表示朝向基坑外侧的位移。由图14可以看出, 在基坑开挖初期, XJ11测点深层水平位移较小, 随着开挖的进行, 围护桩水平位移逐渐增大。到2016年11月24日, 围护桩水平位移曲线呈悬臂形, 最大水平位移达1.4mm。之后, 围护桩水平位移曲线变为上下小、中间大的凸肚形, 原因是冠梁与内支撑施工对围护桩水平位移的约束作用, 且XJ11测点位于基坑长边中部, 附近有内支撑, 故对内支撑的影响较大。之后, 随着进一步的开挖, 围护桩水平位移继续增大, 但因为开挖进度缓慢, 水平位移增大的速率不大。到2017年1月24日, 围护桩最大水平位移达到2mm, 出现在开挖面附近的6.5m处。

内支撑轴力的监测值随时间变化如图15所示。其中, 图15a中测点安装在支撑上, 图15b中测点安装在斜撑上。由图15可知, 施工完内支撑后, 支撑轴力迅速增大, 这是由于支撑以下土体的开挖, 新增的一部分土压力由内支撑承担。到1月中旬时, 大部分支撑轴力有所减小, 这是由于春节假期基坑暂停开挖, 支撑应力调整导致。1月底继续开挖基坑, 内支撑轴力又继续增大, 最后趋于稳定。

1) 通过Midas GTS NX有限元软件分析以及现场监测实例均表明:开挖第1层土后围护桩随深度变化的水平位移曲线大致呈上凸的圆弧形, 由上到下水平位移逐渐减小。随着基坑开挖的进行, 最大值位置逐渐下移。第2层土开挖后, 围护桩随深度变化的水平位移曲线大致呈“凸肚状”, 即上、下部水平位移较小, 而靠近基坑开挖底部位置处水平位移最大。

2) 基坑外侧土体沉降曲线大致呈漏斗形。从支护桩向基坑外, 地表沉降曲线先下降后上升, 最后逐渐趋于平缓。基坑外侧土体水平位移大致随基坑支护桩距离的增大而减小, 最大位移在支护桩附近, 说明支护桩有效地约束了土体的水平位移。

3) 施工完内支撑后, 其轴力随支撑下土体的开挖而增大, 暂停开挖时, 支撑应力调整导致其轴力减小, 再次开挖后又继续增大, 最后趋于稳定。

4) 增大围护桩刚度能有效减小围护桩水平变形, 对于周围土体的地表沉降, 在最大沉降处附近影响也较明显, 但对于其他位置的地表沉降和地表水平位移影响不明显。内支撑刚度对基坑开挖深度范围内的围护桩水平位移和距离地下连续墙较近范围内的地表水平位移影响较明显, 对其他范围的地表沉降则影响很小。