基坑開挖誘發(fā)粉質(zhì)黏土蠕變沉降的變形分析

摘" 要：該文以濟(jì)南市某項(xiàng)目Y站端頭井基坑為對(duì)象，研究開挖時(shí)粉質(zhì)黏土蠕變對(duì)基坑變形的影響特性，借助三參量黏彈性地基模型，建立FLAC3D有限元模型，對(duì)土體蠕變引起的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，主要研究結(jié)果如下：軟土蠕變誘發(fā)不依賴于墻身附加側(cè)移的地表沉降，不僅導(dǎo)致基坑開挖期間的地表嚴(yán)重沉降，而且引起地連墻受坑外土體蠕變擠壓產(chǎn)生嚴(yán)重的側(cè)向變形，承受較大軸力。軟土蠕變誘發(fā)的地表沉降隨墻身側(cè)移的增大而增大，表現(xiàn)為凹槽沉降模式；地連墻深層水平位移變形趨勢(shì)為“組合式”模式；支撐軸力變化規(guī)律與土體開挖和架撐有所關(guān)聯(lián)。軟土深基坑的地表沉降和地連墻側(cè)移主要受軟土蠕變性和施工時(shí)間等因素的影響，與車輛荷載的關(guān)系不明顯。

關(guān)鍵詞：粉質(zhì)黏土；土體蠕變；地表沉降；有限元模型；黏彈性地基模型

中圖分類號(hào)：TV551.4+2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）08-0104-05

Abstract： In this paper， the influence of silty clay creep on the deformation of foundation pit during excavation is studied by taking the end well foundation pit of Y station of a project in Jinan City as the object. With the help of three-parameter viscoelastic foundation model， FLAC3D finite element model is established to predict the deformation caused by soil creep， and the correlation analysis with the actual monitoring data is carried out. The main research results are as follows： Soft soil creep induces surface settlement that does not depend on the additional lateral displacement of the wall， which not only leads to serious surface settlement during foundation pit excavation， but also causes serious lateral deformation of the diaphragm wall by creep extrusion of the soil outside the pit and bears large axial force. The surface settlement induced by soft soil creep increases with the increase of wall lateral displacement， which is shown as groove settlement mode. The deep horizontal displacement deformation trend of the diaphragm wall is \"combined\" mode; the variation law of support axial force is related to soil excavation and support. The surface settlement and diaphragm wall lateral displacement of deep foundation pit in soft soil are mainly affected by the creep of soft soil and construction time， and the relationship with vehicle load is not obvious.

Keywords： silty clay; soil creep; surface subsidence; finite element model; viscoelastic foundation model

粉質(zhì)黏土的壓縮能力強(qiáng)、凝固時(shí)間久、含水率高，這嚴(yán)重阻礙了地下工程的進(jìn)展。許多案例證明，蠕變?cè)诜圪|(zhì)黏土中占有重要特性，土體的蠕變使其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間密切相關(guān)，因此，不能僅將土體簡(jiǎn)化為彈塑性模型。為了保證基坑工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定，研究者們進(jìn)行粉質(zhì)黏土蠕變?cè)囼?yàn)及模型構(gòu)建，對(duì)土體蠕變導(dǎo)致的基坑變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并針對(duì)變形采取相應(yīng)的支護(hù)措施。

李瑞婷[1]研究了復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性，分析了支撐軸力、鄰近土層沉降、墻身位移等變形規(guī)律，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。劉暢等[2]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比分析了降雨量、時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度分別對(duì)軟土地質(zhì)下基坑變形的作用機(jī)理和敏感性。Baziar等[3]對(duì)德黑蘭Shahrak-e gharb的一處深挖穩(wěn)固地段進(jìn)行建模，了解土體變形導(dǎo)致的破壞情況，并對(duì)錨固繞過(guò)軟弱表層土體的程度進(jìn)行參數(shù)研究，分析了其崩塌的原因。蘇志凱[4]分析了交叉型深基坑中空間效應(yīng)（陽(yáng)角效應(yīng)）及本構(gòu)模型對(duì)雙排樁支護(hù)變形的作用，研究了陽(yáng)角效應(yīng)對(duì)深基坑產(chǎn)生的變形效果。Lei等[5]通過(guò)監(jiān)測(cè)和模擬結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了優(yōu)化MSD法和有限元分析法的預(yù)測(cè)系統(tǒng)的可靠性。Xie等[6]采用數(shù)值方法模擬了砂礫石層開挖過(guò)程，分析了圍巖的運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力分布。李斐[7]針對(duì)濟(jì)南市典型土巖結(jié)合的地質(zhì)條件，對(duì)深基坑支護(hù)方案、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并且和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用效果。袁宇等[8]通過(guò)軟土蠕變?cè)囼?yàn)，確定了Merchant模型參數(shù)。樊宏宇[9]構(gòu)建了粒子群優(yōu)化模型對(duì)土體蠕變參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，進(jìn)行蠕變效應(yīng)下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的驗(yàn)證及分析。王燕[10]通過(guò)構(gòu)建時(shí)間硬化與Druker-Prager塑性耦合蠕變模型，探討了蠕變引起的固結(jié)效應(yīng)對(duì)基坑的影響。

分析以上研究成果可知，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者在深基坑工程設(shè)計(jì)上取得了大量的研究成果，針對(duì)深基坑的變形問(wèn)題提出了對(duì)應(yīng)的控制措施，將相關(guān)理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析，得出開挖引起的深基坑受力變化，但是仍存在許多盲點(diǎn)。本文以濟(jì)南市某項(xiàng)目Y站端頭井項(xiàng)目為例，分析基坑開挖中，土體蠕變對(duì)整個(gè)基坑變形的影響。

1" 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形分析

1.1" 工程概況

濟(jì)南市某項(xiàng)目Y站位于魏梁莊村舊址，車站主體如圖1所示，全長(zhǎng)為417.6 m。該車站為一個(gè)地下2層的島式建筑，使用明挖方式施工，寬度22.1 m，場(chǎng)坪標(biāo)高24 m，底板標(biāo)高在6.78～7.39 m之間，基坑的挖掘深度在16.61～17.22 m之間。端頭井圍護(hù)體系采用地連墻，支撐結(jié)構(gòu)采用一道砼撐+3道鋼撐的內(nèi)支撐形式。巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

本標(biāo)段主要為第四系松散層孔隙水，在區(qū)域上屬潛水性質(zhì)，地層主要為雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂。

1.2" 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)濟(jì)南市某項(xiàng)目Y站端頭井深基坑工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究地連墻、內(nèi)支撐在土體蠕變作用和基坑地表外附加荷載下的變形特性。對(duì)監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果整合分析，能夠得出地連墻橫向偏移曲線、地表沉降規(guī)律曲線和支撐軸力變化曲線，進(jìn)而判斷開挖中土體蠕變對(duì)基坑和支護(hù)體系穩(wěn)定性的影響，及時(shí)對(duì)可能發(fā)生的變形做出應(yīng)急處理，保證施工能安全平穩(wěn)的進(jìn)行。

1.2.1" 地連墻深層水平位移

地連墻側(cè)向變形是對(duì)深基坑開挖穩(wěn)定性最直接的表現(xiàn)，也對(duì)周邊建筑物等環(huán)境安全產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。因此，測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇與數(shù)值模擬計(jì)算中對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)（CX16、CX15、CX14）。CX16、CX15、CX14測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫向偏移曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，地連墻側(cè)向位移符合組合式變形模式，地連墻橫向偏移最大值隨基坑的開挖而逐步向下移動(dòng)，每2層支撐間的地連墻都發(fā)生向基坑內(nèi)側(cè)的變形，墻頂和墻底出現(xiàn)的水平位移較小，只是發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

工況一開挖后，地連墻頂端在架設(shè)支撐前處于懸臂狀態(tài)，受地連墻墻體背面主動(dòng)土壓力的影響，測(cè)斜管向坑內(nèi)偏移，但由于開挖深度較淺，最大橫向偏移值僅為-2.6 mm，位移量較小。

工況二，與工況一相比，開挖深度過(guò)大，墻身測(cè)斜管出現(xiàn)較大水平位移，曲線為明顯的弓形，最大位移為-12.83 mm，位置在基坑開挖底面附近。測(cè)斜整體開始呈現(xiàn)出中間大、兩端小的特性，并向基坑內(nèi)側(cè)凸出。

工況三、四相比工況二開挖深度減小，并在第三、四道內(nèi)支撐外設(shè)置了4層錨索加固，整體變形增量較少，最大位移點(diǎn)向下移動(dòng)，說(shuō)明4道支撐水平限制合力發(fā)揮作用，墻身水平移動(dòng)限制明顯。

工況五開挖至坑底，最大水平位移點(diǎn)在20～21 m處，其下部分測(cè)斜增量和變形明顯變小，由于坑底隆起，土體卸載回彈，地連墻底部承受的背側(cè)土壓力減小，并且4道支撐和地連墻聯(lián)結(jié)成整體，充分發(fā)揮水平約束作用，抵抗變形。

1.2.2" 地表沉降

本文根據(jù)最不利情況選擇端頭井2個(gè)主測(cè)斷面分析，繪制不同工況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降曲線圖。如圖3所示。

從圖3的折線圖變化中可以看出，進(jìn)行工況一開挖時(shí)，最大沉降量為3.85 mm。隨著工況二開挖的進(jìn)行，地表大幅度下沉，鄰近土體豎向位移曲線開始呈現(xiàn)明顯的沉降槽特性。當(dāng)?shù)谒膶油练介_挖后，地表最大沉降點(diǎn)距基坑邊緣越來(lái)越遠(yuǎn)，最終穩(wěn)定在10 m左右處。從斷面看，錨索支撐斷面處的地表沉降值最大，為-23.47 mm，證明錨索對(duì)地連墻變形的約束比砼支撐差，但并未超過(guò)預(yù)警值，因此使用錨索既可以節(jié)約成本，又可保證基坑穩(wěn)定。

2" 土體蠕變沉降模擬分析

2.1" 三參量黏彈性地基模型

根據(jù)目前已有理論證明[11-13]，三參量黏彈性地基模型可以良好地反映土體的瞬時(shí)變形以及隨時(shí)間變化的蠕變。模型由一個(gè)彈性元件（Hooke體）和黏性元件（Kelvin體）串聯(lián)而成。

在構(gòu)建基坑開挖模型時(shí)，按照實(shí)際工程進(jìn)行本構(gòu)關(guān)系和參數(shù)的確定。深基坑開挖模型的支護(hù)參數(shù)見表2，巖土體參數(shù)見表1。

2.2" 初始應(yīng)力和開挖過(guò)程模擬

2.2.1" 初始應(yīng)力

在對(duì)基坑模型進(jìn)行開挖模擬前，需進(jìn)行初始應(yīng)力平衡設(shè)置。初始應(yīng)力場(chǎng)模型如圖5所示。

2.2.2" 開挖過(guò)程

本文依照端頭井施工和開挖過(guò)程進(jìn)行FLAC3D模擬，采用分層開挖法。具體步驟見表3。

2.3" 模擬變形分析

在現(xiàn)場(chǎng)施工中，開挖會(huì)持續(xù)卸掉土體荷載，從而導(dǎo)致初始應(yīng)力被破壞，內(nèi)力重分布，最終致使基坑周邊臨近土體發(fā)生豎向位移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生深層水平位移。模擬中基坑沉降云圖如圖6所示。

根據(jù)圖6能夠看出，深基坑周邊地表沉降區(qū)域會(huì)根據(jù)開挖深度的增大而擴(kuò)大，基坑底部土體隆起區(qū)域也是不斷擴(kuò)大?；釉陂L(zhǎng)期自由沉降的過(guò)程中尚未達(dá)到較穩(wěn)定的蠕變狀態(tài)，隨著與基坑距離的增大，蠕變量呈現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，且在距基坑距離5～10 m范圍時(shí)達(dá)到最大蠕變值。

在深基坑開挖過(guò)程中，土體蠕變會(huì)發(fā)生不均勻卸荷，從而對(duì)基坑周邊巖土體的初始應(yīng)力場(chǎng)造成影響，最終導(dǎo)致不同深度的地連墻墻體出現(xiàn)側(cè)向變形。不同深度下的地連墻橫向偏移隨開挖進(jìn)程的變化云圖如圖7所示。

分析圖7能夠看到，伴隨開挖深度的不斷變大，會(huì)造成坑角泄壓，支護(hù)樁最大橫向偏移點(diǎn)下移。在工況一完成后，開挖深度較淺、架設(shè)及時(shí)，地連墻受到第一道砼支撐的水平約束作用，橫向偏移量較小。第三、四層土方開挖后，地連墻的整體變形幅度減小，墻身位移最大位置趨于穩(wěn)定。在基坑整體開挖結(jié)束之后，最大變形點(diǎn)位于開挖交界處，主要由于土體蠕變、砂層易擾動(dòng)、基坑受壓大和下段支撐架設(shè)間隔時(shí)間長(zhǎng)，破壞基坑原有的穩(wěn)定狀態(tài)。

3" 結(jié)論

本文依托濟(jì)南市某項(xiàng)目Y站端頭井基坑，借助三參量黏彈性地基模型，建立FLAC3D有限元模型，對(duì)基坑開挖中粉質(zhì)黏土蠕變引起的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，主要結(jié)論如下。

1）對(duì)比理論和實(shí)測(cè)研究成果，發(fā)現(xiàn)既有坑外地表沉降預(yù)測(cè)不適用于蠕變效應(yīng)顯著的軟土基坑。借助三參量黏彈性地基模型，推導(dǎo)得到土體蠕變誘發(fā)基坑變形的時(shí)效半解析解用于預(yù)測(cè)基坑開挖中的沉降變形。

2）將理論計(jì)算方法應(yīng)用于工程實(shí)例，驗(yàn)證了土體蠕變對(duì)基坑變形的影響。進(jìn)一步分析了基坑開挖全過(guò)程中坑外地表沉降、墻身位移的發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)軟土蠕變導(dǎo)致基坑開挖期間的地表沉降與墻身側(cè)移變化大。

3）參數(shù)分析表明，軟土蠕變誘發(fā)的地表沉降隨擋墻側(cè)移的增大而增大，表現(xiàn)為凹槽沉降模式；地連墻深層水平位移變形趨勢(shì)為“組合式”模式；支撐軸力變化規(guī)律與土體開挖和架撐有所關(guān)聯(lián)。

4）結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，分析得出土體蠕變對(duì)基坑變形的影響較大，地表沉降和地連墻側(cè)移主要受軟土蠕變性強(qiáng)弱、施工時(shí)間等因素的影響。

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