滨海地区基坑开挖对土体扰动变形影响研究进展

滨海地区基坑开挖对土体扰动变形影响研究进展

高丹1、张文骏1、廖国兴2、姜勇2、朱贵权1、

1. 中铁上海工程局集团有限公司  2. 宁波市轨道交通集团有限公司建设分公司

摘要：滨海地区软土具有极强的结构性，在开挖等荷载作用下极易发生结构性改变和扰动变形，造成土体强度降低，导致围护结构和邻近建筑发生位移，甚至工程灾害。本文基于宁波市轨道交通TJ8107标段地铁段塘站基坑工程施工中遇到的难题，通过查阅文献资料对当前研究进行总结，明确了目前研究存在着模型参数和实测数据不足、软土地基在时间和空间效应下的变形复杂性等问题，并提出了有关下一步研究内容的建议。

关键词：富水软弱地基；基坑开挖；土体扰动；环境变形

引言

我国滨海软土地区经济发达，轨道交通城市建设发展迅速，对该地区地下空间开发工程提出了更严格、更高的要求。滨海软土具有高结构性、高含水率、高压缩、低强度等特点，这些土体特点，使得深基坑开挖的工程难度和风险巨大，特别是当前越来越密的地下构筑和地面建筑，周边环境越来越复杂，滨海软土地区的基坑开挖对周边扰动变形研究尤为迫切重要。本文结合宁波市轨道交通TJ8107标段地铁车站基坑工程的施工过程，基于工程地质环境、现场地质条件及周边环境影响下，考虑到施工的实际难题，整理相关资料和文献，形成本研究内容。

人们对基坑工程施工造成周边管线和建筑物变形的关注由来已久[1]，国内外学者采用试验、现场测量、数值模拟和理论分析等方法，做了大量的研究，以实测、评估和预测不同桩和工法造成的周边环境变形程度[2-3]。结合当前国内外学者的研究，下面从基坑开挖工程开挖对周边环境影响的三个方面展开论述。

1研究方法与进展

地铁车站基坑开挖造成土体扰动、基坑支护结构变形以及对周边环境影响程度有明显的地区差异性，受地质条件影响大，常用的研究方法有现场位移实测、模型试验、数值模拟与理论分析等。由于地铁车站基坑工程的开挖越来越深，周边环境越来越复杂，现场监测由于无法进行传感器的深处埋设，存在一定的数量和深度限制，由此，室内物理模拟试验得以发挥重要作用。然而，目前的室内模型试验仍无法克服尺寸问题，试验装置在开挖过程实际工序和动态模拟方面存在明显的技术漏洞[4]。离心机试验能克服模型试验对尺寸的要求，但桩基-土体尺寸比、桩界面粗糙等问题无法解决，此外开挖过程难操作，试验结果可靠性低[5-6]。

近年来，随着各种复杂的地下工程建设持续发展，传统的桩基承载理论和结构性能理论已不能完全满足当下的施工设计，现场工地的复杂性造成现场监测存在很大误差，数值模拟结合理论分析已成为软土地区基坑工程分析的重要手段，对土体本构模型和计算参数的选择是数值模拟炒成功与否的关键[7-8]。线弹性模型无法体现土体的塑性变形，Mohr-Coulomb模型不能反映土体受应力历史和应力路径的影响作用, 两种模型应用于土体都具有很大局限性，而Ducan-Chang模型也不适用于深基坑数值分析[9]。但硬化类的本构模型，如Modified Cam-Clay（MCC）模型，则能够反映土体模量对应力历史和路径的依赖, 十分适合应用于深基坑分析[10]。

目前，对于富水环境下的软黏土基坑工程，建议采用能考虑软黏土的塑性和应变硬化等特征，且能够区分加荷和卸荷，同时刚度受应力水平影响的硬化类弹塑性模型[11]，如MCC模型和HS模型[12]。此外，HSS模型同时考虑了土体剪切硬化和压缩硬化等土体特征，且还考虑到了土体小应变特性，目前在分析深基坑时越来越受到关注[13]，并从实例对比计算中得到验证[14-15]。HSS模型参数较多，试验取值较麻烦，工程中多采用经验值[16]，然而，当前上海地区的HSS模型参数取值方法研究较多，其他区域较少，亟需开展相关试验研究。

现场监测可及时反馈结果，并与理论研究进行对照与修正，更接近实际工程，反映施工过程，可以直接评价工程安全状况，增加基坑开挖安全研究的有效性。

2开挖扰动效应进展研究

研究地下工程施工造成土体扰动及扰动对土体物理参数的影响，对正确评价和精确预估施工造成环境效应引发周边环境变形等关键问题至关重要。施工扰动可致使土体屈服应力减半[17]、压缩指标降低到72%[18]，从而导致沉降量增加[19]，影响自身结构和周边土体变形，甚至引发严重的工程事故。因此，基坑工程施工扰动评价是工程安全保证的必要前提。土体受到扰动时力学参数会发生明显变化，因此基于不同力学指标的变化量来评价土体扰动度被提出[20-21]。但获取上述力学指标均需通过室内试验，由于试验前必经的运输制样等过程均会对土体产生扰动，若结合开挖前后的现场静力触探试验，用来评价扰动度更有利[22-23]。

目前数值模拟在预制桩不同工法施工的挤土效应方面研究，给出了符合压桩实际的有限元模型。国内外学者先后将静压沉桩过程模拟为土体逐渐劈裂过程[24]，施加力荷载和位移加载方式模拟

[25]。Zhang和Tao[26]用数值模拟锤击法的沉桩过程，研究影响沉桩振动的重要参数和对周边环境扰动影响。利用BIM技术集成工程结构体和岩土体模型，并通过工程实例展示仿真模拟方法的可行性和有效性[27]。

3开挖对周边环境影响进展研究

基坑开挖过程中环境影响研究，需研究包括土与支护结构的相互作用、墙体位移与弯矩、孔隙水压力分布规律、土体强度参数等，运用有限元结合不同本构模型，模拟计算基坑开挖过程中土体渗流场和压力场，并进行开挖设计计算和变形预测[28-29]。基坑开挖是一种复杂的对土体卸荷作用过程，对于高灵敏度的软弱地基，进行基坑降水和土方开挖会造成土体渗流场和应力场不断发生变化，最终在两种应力场共同作用下引起周边土体变形，进而影响既有管线和周边建筑安全。因此，有效反映周边环境变形可通过建立动态的流-固耦合模型实现，这样才更接近实际工程情况[30]。胡坚尉[31]采用数值模拟方法研究基坑开挖和回填过程发现，正常施加预应力时，一定空心率的墙体对变形影响不大，多个具有一定空心率的竖向拼接桩墙能有效降低施工过程对周围建筑沉降变形。

基坑开挖对周边环境的影响具有明显的三维空间效应。有学者提出“基坑平面应变比 (PSR)”概念，即三维空间下最大墙体位移与其在平面应变条件下该位置位移的比[32]，当PSR与基坑长深比L/H和长宽比L/B有关[33]。国内学者通过在有限元数值对基坑支护结构的三维变形做了研究，结果显示支护结构对地表沉降、水平位移、坑底隆起等方面表现出空间效应[34]。有效利用基坑的空间效应，可以有效控制土体位移变化和周边环境控制。

综上，虽然我们已经在基坑工程对周边环境变形研究取得了丰硕成果和经验，但是，仍存在滨海富水软弱地基的基坑施工造成的扰动研究不足、开挖对土体扰动及其扰动下周边既有建筑物的变形影响机理和影响规律研究亟需补充研究等问题。

4 结论与展望

我国桩基工程施工具有很强的地域空间性，不同地质条件、不同支护桩墙、不同基坑开挖方式等影响因素下，对周围环境的三维变形规律是不同的。为了研究滨海地区地铁车站开挖施工对周边环境影响，结合宁波市轨道交通TJ8107标段地铁车站基坑工程施工中遇到的难题，通过查阅现有文献资料，提出目前研究存在的问题和下一步工作展望：

a. 滨海软弱地区基坑工程引起周边变形研究的相关数值分析研究还不是很充分，不同地区HSS模型参数取值需要试验补充。

b. 基坑开挖的环境效应研究是一个长期的过程，具有显著流变性的软土地基在开挖工程过程中在变形方面具有显著的时间效应，考虑土体流变特性下环境变形研究还是十分欠缺的。

c. 深基坑开挖对周边变形影响具有十分明显的三维空间效应，当前无法精确预测软土地区基坑开挖造成的周边环境影响，前对此研究亟需补充。

d.深基坑开挖造成土体和周边建筑变形的实测数据明显不足，基于理论研究和现场监测数据对比分下，进而提出有效建议十分有必要。

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