基坑开挖土体回弹变形研究

陈建康，矫伟刚，张琳，杨远营，高翔

（1.北京现代金宇岩土工程有限公司，北京 101400；2.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

1 引言

目前，越来越多的城市都是高层建筑，因此出现了大量的深基坑工程，深基坑支护问题也随之而来[1]。地下空间和高层建筑可以通过深基坑支护来实现，建筑质量的好坏与深基坑支护方案设计的优劣有直接关系。基坑工程中由于土体的开挖与自重应力释放，致使坑底向上回弹，开挖后，基底以下部分墙体向基坑方向变位时，挤推墙前的土体，造成坑底隆起变形加剧。基坑隆起量的大小是判断基坑稳定性的重要指标。因此，较准确预测基坑的回弹变形量，可以为将来的设计和施工提供依据。

深基坑支护形式多种多样，通常可分为非结构支护体系和结构支护体系两大类[2]，本文主要采用结构支护体系。通过对某项目基坑开挖后支护和监测方案的设计，成功解决了该项目深基坑的支护安全问题。并通过数值模拟方法得出坑底回弹量随不同位置的变化关系，结合监测数据进行验证，希望可以为其他类似工程提供参考。

2 土体回弹机理

基坑开挖前，土体在重力作用下经历了较长时间的压缩固结过程，在没有其他外力作用的情况下，短时间内很难变形。基坑开挖破坏了基坑内外土体的应力平衡状态，基坑底部以下土体产生卸荷回弹变形。基坑底部回弹变形的影响因素与基坑内外土体的孔隙比、粘聚力等参数有关[3]。基坑开挖完成后，基坑底面的变形量由两部分组成：一部分是基坑周围土体在自重作用下使坑底土向上隆起；另一部分是开挖后的卸载引起的回弹量。挡墙在侧水压力作用下，墙角与内外土体发生塑性变形而上涌。基坑回弹观测，应测定深埋基础在基坑开挖后，由于卸除地基土自重而引起的基坑内外影响范围内外相对于开挖前的回弹量。

由于各个基坑的大小、周围条件及开挖支护形式各不相同，因此在研究基坑底部的回弹变形时需要考虑众多因素[4]。然而，一般认为回弹模量和回弹应力直接影响基坑底部的回弹变形，土体的密度和粘聚力通过回弹模量和回弹应力的影响，影响基坑底部的回弹变形。

3 工程实例

3.1 项目简介

本项目位于北京市朝阳区东坝，地块占地面积4.22 万m2，基坑总面积27252m2。本项目拟建建筑物主要由2座办公楼、2 座星级酒店、购物中心及地下车库组成，具体层数见表1。拟建物室内地坪标高(±0.00)为30.50m，如图1所示。基坑设计深度15.8m, 基坑安全等级为一级。

图1 拟建建筑布置图

拟建建筑物初步设计条件一览表 表1

3.2 地质及水文条件

3.2.1 地质条件

拟建工程场地位于永定河冲洪积扇下部，地形基本平坦，建设用地现状为已拆除完毕的空地，且建设用地已开展过文物勘查工作，分布有文物勘查探坑，场地中间部分表层1.5m 深度范围内的房渣土、素填土已基本被清除，形成了中间低四周高的地形。工程现场场地为空地，地势总体较为平坦。

将拟建场地现状地面以下50m 深度范围内的地层，按其成因年代划分为人工堆积层、第四纪沉积层二大类，并按地层岩性及其物理力学指标划分为9 个大层及亚层，具体参数见表2。

土层参数 表2

3.2.2 地下水条件

本项目场地勘探钻孔实测到4 层地下水，地下水类型包括潜水、层间水和承压水。据勘察成果，拟建场区自1955 年以来最高地下水位接近自然地面。近3～5 年最高地下水位标高约为29.10m（场区地势低洼处接近自然地面）。

3.3 基坑支护设计

本文主要对1-1 支护段分析，主要模拟对基底土体回弹进行分析。其支护形式采用护坡桩与锚杆支护体系。护坡桩桩径为800mm，桩长19m；锚杆设置三道，每道长度分别为28m、29m、28m。具体开挖工序见表3。

工况信息表 表3

4 数值计算

4.1 计算模型

基坑的开挖主要通过FLAC 3D 中的“null”单元实现，灌注桩的施工和锚杆的嵌入则主要通过“pile”和“cable”语句实现，基坑开挖之前首先要使土体在重力作用下固结，然后进行后续的开挖工作。

根据建立的数值计算基坑模型，选取数值计算基坑模型为实际基坑尺寸的1/4。应用FLAC 3D 软件建立模型，基坑平面尺寸为40m×20m，计算域为100m×50m×70m 的三维有限元计算模型，按基坑开挖深度分为5.3m、9.8m、13.3m、15.8m共4种工况开挖。整个计算模型网格划分如图2 所示。模型四周边界仅约束法向位移，底部采用固定约束，地表面、建筑物上表面设定为自由边界。

图2 三维计算模型网格划分图

支护结构主要有灌注桩和锚杆，灌注桩的直径为800mm，嵌入深度为5.2m，采用C30 混凝土，桩间距为1.6m。锚杆为预应力锚杆，水平间距为1.6m，长度为28m，倾角为15°。支护结构布置如图3所示。

图3 支护结构布置图

4.2 数值模拟结果

基坑开挖至5.3m 时，坑底回弹值为6.05mm（图4）。

图4 开挖至5.3m基坑竖向位移图

基坑开挖至9.8m 时，坑底回弹值为11.00mm（图5），比基坑开挖至5.3m 的回弹值增加81.8%。

图5 开挖至9.8m基坑竖向位移图

基坑开挖至13.3m 时，坑底回弹值为14.97mm（图6），比基坑开挖至9.8m的回弹值增加36.1%。

图6 开挖至13.3m基坑竖向位移图

基坑开挖至15.8m 时，坑底回弹值为17.72mm（图7），比基坑开挖至13.3m 的回弹值增加18.4%。随着基坑开挖深度的增加，回弹值增幅逐渐减小。

图7 开挖至15.8m基坑竖向位移图

其中锚杆支护不影响坑底回弹变形，只对基坑侧壁变形产生影响，在此忽略不计。此外，开挖至坑底-15.8m 处，基坑周围地表变形仍在安全范围以内，说明基坑整体设计符合安全标准。

施工期间，通过第三方对基坑进行监测，将现场实测值与数值计算结果进行对比，从表4 中可以看出，数值计算结果由于未考虑排水固结的状态，导致其结果偏大。

数据对比表 表4

4.3 结果分析

本文分别对坑底的长向和对角线方向划分切面，对比分析了每个切面在不同坑底深度下土体的回弹变形情况。从图8 可以看出，沿基坑走向上，中心附近位置的回弹量大于靠近支护结构附近的回弹量。这是因为当基坑开挖时，坑内土体在竖向和水平向均要发生卸荷，故在竖直方向和水平方向均要发生卸荷回弹变形。靠近支护结构的土体由于受到摩擦作用，因此约束了土体的部分回弹变形，越靠近中心位置受到支护结构的约束越弱，竖向回弹量越大，离支护结构越近，受到的约束越强，竖向回弹量越小。

图8 坑底沿长方向回弹曲线

从图9 可以明显地看出坑角效应的影响，近基坑中心的回弹量远大于近坑角处的回弹量。

图9 坑底沿对角线方向回弹曲线

5 结论

本文主要利用FLAC3D 有限差分软件对基坑开挖回弹变形，进行建模并分析结果。从以上结果中可以看出：

①应用摩尔库伦模型时，数值模型模拟结果比实际监测结果大，主要原因可能是未考虑降水作用，但整体差异值不大，说明模拟结果较为合理；

②坑底变形主要以远离支护结构的坑中心位置回弹量较大，越往四周回弹量越小，且考虑到坑角效应的影响，四周坑角位置回弹量亦较低；

③随着开挖深度的增加，回弹值的增幅从81.8%减小到18.4%，回弹值趋于稳定；

④由于施工现场土质以软弱土为主，且地下水位较高，所以在实际施工中需要考虑基坑开挖导致的坑底回弹变形。因此，在现场施工时要预先降水固结，禁止超挖，及时支护。