考虑降水作用下滨海地层深基坑变形特性研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.027

摘" 要：以厦门地铁共建段基坑工程为背景，采用数值模拟和现场实测方法对比研究滨海吹填砂和淤泥特殊土地层降水前后基坑挡墙侧移、地表沉降、坑底回弹及支撑轴力的变化规律。研究结果表明，考虑降水作用下基坑变形是土体固结和坑内卸载作用共同导致的。虽然基坑设计深度是影响变形的主要因素，但是降水作用对滨海地层造成的影响仍不能忽略；同时对于钢支撑的轴力损失采取相应的施工处置措施。研究成果可为滨海地层深基坑施工控制提供参考。

关键词：深基坑；滨海地层；围护结构；降水；变形特性；数值模拟

中图分类号：TU753" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2023）32-0108-04

Abstract： Taking the foundation pit project of Xiamen Metro joint section as the background， the numerical simulation and field measurement methods are used to compare the change rules of the foundation pit retaining wall side displacement， surface settlement， pit bottom rebound and supporting axial force in the coastal sand blowing and silt special land layer. The results show that the deformation is the result of soil consolidation and unloading in the pit. Although the design depth is the main factor affecting the deformation， the influence of precipitation on the coastal strata cannot be ignored. Meanwhile， corresponding construction measures are taken for the axial force loss of steel support. The research results can provide a reference for the construction control of deep foundation pit in coastal strata.

Keywords： deep foundation pit; coastal stratum; retaining structure; precipitation; deformation characteristics; numerical simulation

本文以厦门地铁3、4号线共建段，双沪站—空港经济区站区间明挖暗埋区间深基坑工程为研究背景，建立考虑降水渗流作用的深基坑土-结构相互作用数值计算模型，通过设置不同的最不利工况来对比分析滨海复杂地层深基坑施工引起的地连墙侧向位移和墙后地表沉降演变特征，并研究滨海吹填砂和淤泥复合地层对基坑变形特征的影响，最后给出了相应的施工建议。

1" 工程背景

厦门市轨道交通3号线工程为厦门轨道交通线网当中的西南—东北向骨干线。3号线工程起自厦门火车站，终至翔安机场站，线路全长38.47 km。设站27座（含预留车站1座），换乘站12座。线路起于厦门火车站，出站后沿湖滨东路向北敷设；下线路沿翔安东路西侧绿化带并行大嶝大桥跨过大嶝海域后，进入大嶝岛区域内，沿迎宾大道西侧绿化带向南敷设；过双沪村后，线路逐渐由高架转为地下敷设，直至终点翔安机场站。双沪站—空港经济区站为3、4号线共建段区间明挖暗埋段深基坑工程，基坑总长294.135 m，宽度约24.06～48.16 m，开挖深度由11.5 m过渡到14 m，覆土厚度约0.5～5.8 m，施工场地主要为吹填造地区域。

由于本工程的基坑深度和宽度是渐变的，如果直接对整个基坑直接进行计算必将耗时耗力，而且产生的结果也存在较大误差，因此基于本工程的特性，分别选取了2处最不利工况的断面进行分析。第一个最不利工况是基坑断面位于厚度较大的吹填砂和淤泥土中，其中吹填砂和淤泥厚度为11.5 m，基坑深度为13 m；第二个最不利工况是基坑的深度最大，其断面处开挖深度为14 m。

2" 有限元模型的建立

2.1" 基坑开挖模拟

为了模拟基坑开挖的施工过程，只对在关键工艺条件下的土壤或围护结构的应力应变状态进行计算，使用 ABAQUS中的单元生死函数，去除相应的土壤单元，并对其进行增加或去除。在进行单元生作业前，需要进行一次地应力平衡分析，对基坑周围的地应力场进行初始化。在此过程中，土壤会受到一种初始地应力场的作用，这种作用是通过土壤自身的荷载来实现的，

在实际工程中，由自重作用下固结和沉降引起的内部应力场。在实际施工过程中，基坑的开挖一般是先施做围护结构再进行开挖，于是在模型地应力平衡后，通过单元生死操作移除围护结构处的土，再添加围护结构。基坑开挖过程分析如图1所示。

由于工程背景的特殊性，滨海地区地下水较为活跃，对于考虑降水影响的基坑施工模拟，需要分析考虑降水作用下对基坑施工的影响。初始地下水位位于地下4 m处，因此在模型开挖完成1.5 m并进行围护后对基坑进行降水，将坑内水位降至地表以下14.5 m处，此时基坑开挖的过程可设置为7个工况。

2.2" 降水过程模拟

根据本工程场地内的实际情况，初始水位在地表下4 m处，通过降水将坑内水降到地表以下14.5 m的位置，使坑内土体表面的孔压保持为0。首先选取坑内降水点的位置，即在基坑内开挖面以下1.5 m处的位置；在降水分析步骤中将坑内开挖面下1.5 m位置的孔压都设定为 0。由于基坑底部孔压变为0，和周围有水的地层产生了水头差，水流从坑内排出，坑内水位降低。

3" 计算结果对比分析

3.1" 墙体侧向位移分析

通过对基坑开挖的数值模拟计算，考虑地下水下降的渗流作用的影响，对基坑开挖不同施工过程的墙体水平位移进行对比分析，研究墙体侧向位移的变化规律。在2种不同的最不利工况下（I、II）开挖至坑底时，墙后土体水平位移云图如图2所示，墙体侧向位移变化曲线如图3所示，取向坑内移动的位移为正。

由图2可知，随着基坑开挖深度增加，墙后土体扰动影响范围逐渐扩大，且墙体侧向位移量显著增加。墙体侧向位移曲线随开挖深度的增加由“斜线”形向“鼓肚”形分布演变，侧向位移量增大，且位移最大值位置逐渐下移，2种最不利工况（I、II）对应的最大侧向位移Ux，max分别为39.71、43.68 mm，其对应深度Hx，max位置为（0.8～0.9）He（He为开挖深度）。基坑开挖诱发的墙后土体侧移影响宽度区域约（3.0～4.0）He，深度影响区域约1.4 He，10～15 m深度范围内土体侧向位移最为明显，且当降水（JS）完成后，墙体水平位移明显增大，这是由于墙后土体向坑内流动的过程中，降水引起的土体自身固结加快了土体的流动速度，再加上坑内卸载的作用，在降水固结和坑内卸载的共同作用下导致墙体水平位移增大。结合开挖力学机理来看，一方面，降水过程由于坑内水位降低，坑外水位基本没有变化，坑内对墙体水压力减小；另一方面，土体开挖时，坑内被动土压力减小，坑外土压力基本没有变化。在二者共同的影响下，由于坑内作用于墙体的水压和土压减小使得墙体产生向坑内变形的趋势。

由图3可知，基坑设计深度越深对墙体侧向位移影响越大。2种最不利工况（I、II）下墙体的最大侧向位移变化基本一致，而且在这2种情况（I、II）下R1、A1与R2、A2两条曲线基本重合，说明坑内2道支撑很好地限制了墙体的侧向位移。

3.2" 地表沉降及坑底回弹分析

通过对基坑开挖的数值模拟计算，考虑地下水下降的渗流作用的影响，对6种不同工况下的土体竖向位移进行对比分析，研究基坑土体竖向位移的变化规律。在2种不同的最不利工况下（I、II），当开挖至坑底时，基坑土体竖向位移云图如图4所示，墙后地表沉降变化曲线如图5所示，坑底回弹变化曲线如图6所示，以地表沉降位移为负，地表隆起位移为正。

由图4和5可知随着基坑开挖深度的增加，墙后土体的垂直位移增加，影响范围扩大；地表沉降曲线沿水平距离呈“槽”形分布。随着基坑开挖深度的增加，沉降槽变深变宽。墙后的最大计算表面沉降值Uz和Umax分别为44.54、45.71 mm。墙后地表沉降的根本原因是降水改变了周围土壤的应力状态和地下水位。水位的下降降低了地下水对土壤中土壤颗粒的浮力，导致薄弱地区的土层压缩和沉降。

由图6可知，在最终状态下工况II墙底土体的塑性变形比工况I的要大，而且墙后土体与坑内土体在降水固结和坑内卸载的双重作用下，已经开始产生了塑性变形，随着墙地塑性区的不断发展，墙后与坑底土体最终将形成贯通的塑性区，这对于基坑稳定性及安全性是不利的，说明基坑的设计深度还是影响基坑整体稳定性及安全性的主要原因。

3.3" 支撑轴力分析

基于考虑降水的基坑开挖有限元模拟，对坑内2道支撑的轴力变化情况进行计算，坑内支撑体系的轴力变化如图7所示，其中第一道代表混凝土支撑，第二道代表钢支撑，施工周期分别代表不同的工况。

由图7可知，随着基坑的开挖进行，混凝土支撑的轴力先上升后减小，而钢支撑轴力则是先上升后趋于稳定，且钢支撑的轴力大于混凝土支撑。这是因为，在施工过程中，混凝土支护在施工过程中，承受了基坑两边的土压力，使其轴力快速增加，同时，下一个支护或相邻支护将共同分担前一个支护所受的力；这样上一层混凝土支承的轴力就会降低。混凝土支撑在最不利工况（I、II）下的最大轴力分别为1 352、1 487 kN，钢支撑在最不利工况（I、II）下的最大轴力分别为2 119、2 142 kN。

综上所述，通过数值计算的对比分析，2种最不利工况（I、II）下基坑的设计深度仍然是影响基坑整体变形的主要因素，然而除了墙体最大侧移值之外，其他各项计算结果都非常接近，这是由于水位的运动方向和墙体侧移方向不一致导致的，说明考虑降水作用下的基坑开挖，坑内土体卸载仍是影响基坑变形的主要因素；而降水导致土体的固结，使吹填砂和淤泥覆盖较厚的地层产生更大的墙后沉降。Blackburn认为：对于连续的支护结构体系，根据变形协调原理，相邻支撑轴力的变化会通过挡土墙的变形而相互传递（即轴力相干性），导致支撑轴力产生损失。在基坑开挖过程中，墙体的水平变形必然伴随着支撑轴力的变化，但是最不利工况（I、II）下钢支撑的最大轴力相差不大，而II的最大墙体侧移却大于I。说明钢支撑产生了轴力损失，显然最不利工况II的轴力损失较大。

4" 结论

本次计算基于有限元分析法，通过ABAQUS有限元软件，针对双沪站—空港经济区站区间地铁车站基坑进行了分析，结合工程实际在考虑降水渗流作用的影响下，对基坑2种最不利工况I（填砂和淤泥厚度为11.5 m）和II（开挖深度为14 m）进行开挖模拟，得出了以下结论。①墙体侧向位移曲线随开挖深度的增加由“斜线”形向“鼓肚”形分布演变，墙后土体侧移影响宽度区域约（3.0～4.0）He，深度影响区域约1.4 He。墙后地表沉降曲线分布沿横向水平距离呈“凹槽”形分布，且沉降槽显著影响范围约（1.0～1.5）He；②基坑开挖的最大塑性变形均出现在地连墙的墙底处，而且在考虑降水时塑性区已经发展至地表及坑底，呈现一种塑性区的极限状态，说明基坑变形主要是由于坑内土体卸载引起的坑外土体向坑内流动造成的，而且工况II比工况I的墙底土体的塑性变形要大；③考虑降水作用基坑变形的主要原因是降水固结和坑内卸载的共同作用导致的。对比2种最不利工况I和II，工况II的基坑变形的绝对值更大，说明基坑的设计深度还是影响其变形的主要因素。由于降水水位的运动方向和墙体侧移方向不一致导致II的墙体侧移偏大，然而其他工况（I、II）计算结果却基本一致，说明降水导致土体的固结对滨海地区吹填砂和淤泥土层产生的影响不可忽略；④在基坑施工的过程中，钢支撑会产生轴力损失，同时墙后地表沉降以及支撑轴力计算值也非常接近监测预警值，若在施工中未引起重视可能危害基坑工程安全，因此在施工过程中对钢支撑施加300 kN预应力。通过计算分析，钢支撑预应力的施加对基坑的变形起到了良好的限制作用，对钢支撑施加预应力的处治措施是合理可行的。

参考文献：

[1] 郑刚，朱合华，刘新荣，等.基坑工程与地下工程安全及环境影响控制[J].土木工程学报，2016，49（6）：1-24．

[2] 张乃烊.滨海花岗岩残积土地层异型深基坑开挖的变形特性研究[D].福州：福州大学，2017.

[3] 李广信.高等土力学[M].2版.北京：清华大学出版社，2016.

[4] 费康，彭劼.ABAQUS岩土工程实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2016.

作者简介：王水育（1965-），男，工程师。研究方向为房屋开裂防治。