深厚淤泥质土层深基坑变形特性研究

董海君 马榕键 陈 骞 张士龙

(1.中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300000；2.哈尔滨工业大学土木工程学院 黑龙江哈尔滨 150000)

1 引言

随着城市化进程的加快，国内高层建筑数量飞速增长，相应的深大基坑工程越来越多。日趋紧张的施工用地使基坑工程对于地质条件的选择性更少，土方开挖与支护所面临的问题也更加复杂。在淤泥质粘土地区基坑工程中，由于淤泥质粘土的内摩擦角和粘聚力等力学指标很低，含水量高、压缩性大、强度低[1]，容易造成围护结构变形、地基不均匀沉降、坑底隆起、边坡失稳等安全问题。因此，对于存在深厚淤泥质粘土的基坑工程，采用一种最为合理有效的支护方式显得尤为关键。

目前，国内外学者基于各种方法对深基坑的变形控制进行了研究。吴昌将等[2]通过分析上海软土地区两个典型深基坑工程监测数据，对地下连续墙基坑变形性状展开研究，发现开挖面积及软土层厚度是影响基坑变形的关键因素。陈晓庆等[3]针对珠海横琴某淤泥地层深基坑工程，分析了淤泥层厚度、大直径桩插入比对基坑变形的影响，得出采用超大直径灌注桩围护结构能较好控制最大侧移量的结论。冯春蕾等[4]基于天津20个软土地铁站基坑实测数据，通过有限元计算，对比分析了隔断墙主要设计参数对基坑变形的控制效果。柴海博等[5]、徐至钧等[6]、彭振斌等[7]、郑荣跃等[8]和陈伟等[9]利用有限元建模，结合监测数据，分析了复杂地质条件深基坑设计、施工及各项措施对基坑变形控制的影响。高雁等[10]、刘兴旺等[11]、王国辉等[12]通过数值模拟、离心模型试验等技术对软土深基坑施工过程对支护结构内力及变形造成的影响展开了研究。

然而，对于深基坑如何通过比选不同内支撑平面布置方式，以减小深厚淤泥层对基坑变形带来的影响鲜有研究。本文以湖北交投实业总部项目为依托，分析深厚淤泥质粘土对基坑变形的影响，同时对比两种不同的内支撑布置方式对围护结构变形、地表沉降的变化规律[5-7]。

2 工程概况

本项目位于武汉市汉阳区江城大道与四新大道交叉口以南，由一栋35层总部办公楼A和一栋41层总部办公楼B组成，基坑面积约21 038 m2，开挖深度17.95～22.5 m。根据勘察结果，基坑工程施工区域内土层主要有:杂填土、粘土、淤泥质粘土、粉质粘土、角砾混砾砂-粘性土、强风化泥质粉砂岩等，其中淤泥质粘土层最大厚度达17 m。

基坑采用排桩和内支撑支护体系，根据区域不同，采用不同直径的钻孔灌注桩(ϕ1200 ～ϕ1300)，立柱桩直径为900 mm。基坑共设置2道C40钢筋混凝土内支撑，典型围护结构断面型式如图1所示。

由于基坑开挖面积较大，同时基坑南侧淤泥质粘土层较深，为满足变形控制要求，保障周边环境安全，拟采用两种不同平面支撑方案，如表1所示。

表1 两种内支撑平面布置方案比选

3 有限元模拟分析

3.1 模型建立

本模型采用MIDAS GTS NX进行数值模拟，确定本项目整体三维有限元模型尺寸为320×320×50 m(X×Y×Z)。

分析采用地层-结构法，充分考虑土层-结构相互作用。模型中地层均采用三维实体单元，其对应的土层主要物理力学参数，如表2所示。

表2 土层主要物理力学参数

灌注桩等1D单元按抗弯刚度等效原理将其等效为一定厚度的地下连续墙(板单元)，得出对应的2D板单元内力与变形，如表3所示。

表3 结构计算参数

模型的边界设置为:沿X轴方向上的模型左右边界，约束X向的平动自由度；沿Y轴方向上的模型前后边界，约束Y向的平动自由度；约束模型底部的Z向平动自由度；模型顶部为地表面，不施加任何约束。将基坑开挖过程按5个施工工况进行分解，如表4所示。

表4 施工工况

3.2 围护结构侧向位移分析

由于基坑属于异形基坑，围护结构会以某一方向(X或Y方向)的变形为主，提取两种内撑布置方案下围护结构关键部位总变形值，模型及变形值如图2～图4所示。

对比两方案可发现二者共性点:当开挖深度较浅且未设置内支撑时，其整体变形表现为悬臂梁式变形形态，即围护结构顶部水平位移最大，而结构深部变形趋于0；随开挖深度增大和内支撑逐步施作，围护结构变形主要表现为中部位置向坑内凸出的“鼓肚形”变形形态；每一次开挖均会使围护结构变形的最大值出现较大增幅，且最大值分布位置逐步下移。

以角部设置两道支撑的1号测点位置为例，第二次开挖深度为10.25 m时，围护结构总位移为20 mm；当第三次开挖深度为16.8 m时，围护结构总位移为43.2 mm，较开挖2增幅53.7%。可见，基坑第三次开挖由于受淤泥质粘土层的存在，围护结构变形显著增加[8-10]。

两方案不同之处在于，开挖至坑底时，角部设置内支撑的围护结构变形最大值位于1号测点，即地面以下0.77H位置(H为基坑开挖深度)，最大值为43.2 mm；轴对称处设置内支撑的结构变形最大值位于1号测点，即地面以下0.70H位置处，最大值为47.48 mm。同时，前者4号测点与后者的3号测点位置相近，4号测点围护结构最大位移为37.25 mm，3号测点位置为40.57 mm。

综上所述，在围护结构变形控制方面，在角部设置两道支撑方案优于轴对称处设置一道支撑方案。此外，基坑进行两次拆换撑操作时，围护结构的变形值有一定幅度增大；尤其在第一道支撑拆除后，由于上部位置结构刚度较小，故围护结构顶部水平变形有明显增大。因此，在施工过程中，应加强对应位置的变形监测，如实测变形过大，则需采取相关控制措施。

3.3 地表沉降分析

由于在角部设置内支撑的4号测点与在轴对称处设置内支撑的3号测点位置相近，因此选取两测点位置作为典型位置，绘制不同工况下地表沉降曲线(沉降为负、隆起为正)，如图5所示。对比两方案，其共同点为:当开挖深度较浅且未设置内支撑时，其整体表现为“三角形”变形形态。

随着开挖深度的增大及内支撑逐步施作，地表沉降表现为“抛物线形”变形形态。由地表沉降曲线可知，基坑开挖对周边土体的主要影响区为(0～2.0)H，次要影响区为(2.0～3.0)H。当间距大于3.0H后，基坑开挖对周边土体影响非常微弱。当基坑进行两次拆换撑操作时，地表沉降的变形值有一定幅度增大。以4号测点位置为例，第二次开挖深度为10.25 m时，地表沉降最大值为11.46 mm；第三次开挖深度为16.8 m时，地表沉降最大值为31.50 mm，较开挖2增幅63.6%。可见，基坑第三次开挖挖深范围内的淤泥质土层是造成地表沉降显著增大的主要因素。

当基坑开挖至坑底后，两种方案沉降最大值基本稳定在0.6H位置处，分别为31.50 mm与31.24 mm。可见，二者对于地表沉降的控制效果相差不大[11-12]。

4 结束语

本文通过有限元数值模拟，分析了深厚淤泥质土层对于基坑变形特性的影响，对比了两种内支撑方案围护结构变形、地表沉降的变化规律。

(1)当开挖深度较浅且未设置内支撑时，围护结构整体表现为“悬臂梁式”变形形态。随着开挖深度增大及内支撑逐步施作，围护结构主要表现为中部向坑内凸出的“鼓肚形”变形形态。受淤泥质粘土层的存在，围护结构变形显著增加。在角部设置两道内支撑的围护结构变形最大值位于地面以下0.77H位置，为42.3 mm；在轴对称处设置一道内支撑其最大值位于地面以下0.70H位置处，最大值为47.48 mm。因此，在围护结构变形控制方面，在角部设置两道内支撑优于在轴对称处设置一道内支撑方案。

(2)当开挖深度较浅且未设置内支撑时，其整体变形表现为“三角形”变形形态。随着开挖深度的增大及内支撑逐步施作，地表沉降表现为“抛物线形”变形形态。挖深范围内的淤泥质土层是造成地表沉降显著增大的重要因素。两种方案的最大值均基本稳定在0.6H位置，最大沉降变形分别为31.50 mm、31.24 mm，因此二者对于地表沉降的控制效果相差不大。

(3)受深厚淤泥质土层影响，当基坑进行两次拆换撑操作时，尤其是拆除第一道支撑时，围护结构及地表沉降变形值均有一定幅度增大。因此，拆换撑过程应做好实时监控量测工作，如变形过大，需采取相关控制措施。