上海某深基坑工程數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

吳水根 侯 飛 張 銘

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092)

1 工程概況

上海某深基坑工程位于上海市虹口區(qū)楊樹(shù)浦路北外灘地區(qū)，基地南臨黃浦江，北靠楊樹(shù)浦路，東側(cè)為瑞豐大廈及秦皇島路。基地占地面積35 210 m2，總建筑面積196 208 m2，其中地下建筑面積91 208 m2?；貎?nèi)布置有前后兩排共4幢商辦建筑，分別為 B01樓、B02樓、B05樓、B06樓，地下室為地下車庫(kù)和港池。地下室共三層，地下一層層高7．5 m，地下二層層高4 m，地下三層層高3．6 m。整個(gè)基坑呈不規(guī)則長(zhǎng)方形，基坑?xùn)|西長(zhǎng)約230m，南北進(jìn)深120～160m?；硬捎勉@孔灌注樁加三道混凝土支撐的圍護(hù)形式，采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕。場(chǎng)地東側(cè)遺留一棵樹(shù)齡為120年的古廣玉蘭樹(shù)，該樹(shù)木屬上海市二級(jí)保護(hù)古樹(shù)，古樹(shù)附近圍護(hù)形式采用地下連續(xù)墻?；訃o(hù)平面布置圖如圖1所示。

本工程地處虹口鬧市區(qū)，局部區(qū)域環(huán)境保護(hù)要求較高，基坑距離西側(cè)大連路地下泵站最近距離約16．65 m，施工期間需保持其正常使用狀態(tài)。場(chǎng)地南側(cè)緊鄰黃浦江，防汛墻與地下室外墻距離僅為27～28 m。北側(cè)為交通主干道楊樹(shù)浦路，道路下方共有7條市政管線，施工過(guò)程中需做好監(jiān)測(cè)工作。

圖1 基坑圍護(hù)平面布置圖及監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig．1 Plan of the main support structure and layout of monitoring points

2 數(shù)值模擬分析

2．1 計(jì)算模型及工況

Plaxis具有線彈性模型、摩爾-庫(kù)侖模型、軟土模型(劍橋模型)、軟土蠕變模型等，非常適合對(duì)巖土問(wèn)題的分析。本文分析土體采用巖土工程廣為應(yīng)用的摩爾-庫(kù)侖模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。摩爾-庫(kù)侖模型中采用15節(jié)點(diǎn)的土單元，該模型參數(shù)包括干容重、飽和容重、壓縮模量、泊松比、黏聚力和摩擦角。土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。當(dāng)土體內(nèi)任一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)土體就發(fā)生破壞。完整的摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則可以用三個(gè)以主應(yīng)力表示的屈服函數(shù)來(lái)定義:

表1 土體力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical properties of soil

針對(duì)深度為13．4 m基坑開(kāi)挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與鄰近楊樹(shù)浦路及其地下管線的影響，選擇A—A典型剖面進(jìn)行分析，如圖2所示。豎直向影響深度一般大于或等于2 H(H為基坑開(kāi)挖深度)，本模型取為地表以下45 m;水平向影響范圍一般大于或等于3 H，本模型水平向距離取為距基坑邊為60 m。水平方向?yàn)閄方向，垂直方向?yàn)閅方向，且對(duì)X邊界施加X(jué)向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節(jié)點(diǎn)模擬土體、水泥土;用梁?jiǎn)卧M圍護(hù)樁;圍護(hù)樁和土體之間采用接觸面單元模擬。支撐模型采用點(diǎn)錨式桿件材料(彈性材料)，支撐間距假定為10 m。土層資料按場(chǎng)地內(nèi)較差土層分布選取。地面超載取為20 kN/m2。

為反映初始應(yīng)力狀態(tài)及施工過(guò)程，本次計(jì)算共分6個(gè)施工步進(jìn)行，如表2所示。

表2 施工工況Table 2 Working conditions

圖2 模型有限網(wǎng)格劃分圖Fig．2 FEM model

2．2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2．2．1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

隨著開(kāi)挖深度的增加，主動(dòng)土壓力也隨之增大，而鉆孔灌注樁的入土部分對(duì)底部的位移有著約束作用，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移沿著樁體大致呈兩頭小中間大的弓形變化。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移計(jì)算值為33．9 mm，最大位移點(diǎn)位于基底以上約0．9 m處。圍護(hù)體A—A剖面總位移變形如圖3所示，水平位移如圖4所示。

圖3 總位移變形云圖Fig．3 Contour of the total displacement

圖4 圍護(hù)體A—A剖面水平位移圖Fig．4 Horizontal displacement of the enclosure

2．2．2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

通過(guò)對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，在開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)體的彎矩為 －449．5 ～1 274．6 kN·m，最大彎矩為1 274．6 kN·m，最大彎矩值點(diǎn)大致位于基底處。圍護(hù)體的剪力為－317．9～553．2 kN，最大剪力為553．2 kN，最大剪力值點(diǎn)位于基底以上約3．4 m處。計(jì)算結(jié)果可為圍護(hù)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)與校核圍護(hù)墻時(shí)提供參考。

3 基坑監(jiān)測(cè)

3．1 監(jiān)測(cè)目的

由于該基坑深度較大，周邊環(huán)境復(fù)雜，為確保該基坑工程的工程質(zhì)量和施工安全，除了采取圍護(hù)措施外，還應(yīng)進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)工作。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整開(kāi)挖速度及位置，降低對(duì)周邊環(huán)境的影響［1］。

圖5 圍護(hù)體彎矩、剪力圖Fig．5 Bending moment diagram and shear diagram of the enclosure

3．2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括:①圍護(hù)體、土體深層側(cè)向位移(測(cè)斜)監(jiān)測(cè);②地下管線垂直、水平位移監(jiān)測(cè)?；又饕O(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

3．3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3．3．1 圍護(hù)體、土體深層側(cè)向位移監(jiān)測(cè)

圍護(hù)體、土體測(cè)斜監(jiān)測(cè)設(shè)備采用武漢深基坑研究所CX-3型土體測(cè)斜儀。測(cè)斜孔的布置見(jiàn)圖1所示。墻體布設(shè)測(cè)斜 28孔，編號(hào)為 CX1—CX28，孔位間距25～30 m，孔深29～31．2 m。土體布設(shè)10孔，編號(hào)為CX29—CX38，孔位間距35～45 m，孔深36 m。CX3監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 圍護(hù)體CX3水平位移曲線Fig．6 Monitoring curve of the horizontal displacement of CX3

從圖6中可以看出:

(1)位移隨著開(kāi)挖深度的增大而增大，各階段曲線變化規(guī)律近似呈“弓形”。截止到2013年8月31日底板澆筑完成，在靠近楊樹(shù)浦路的CX1—CX6 測(cè)點(diǎn)中，CX1，CX3，CX6 的水平位移較大，分別為 23 mm、23 mm、24．4 mm。CX3 的最大水平位移與坑深之比為0．17%，屬于較低水平。

(2)底板的澆筑經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，而同時(shí)期圍護(hù)體的側(cè)向位移在這段時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)了5 mm，說(shuō)明上海軟土的流變性質(zhì)對(duì)基坑變形的發(fā)展影響很大［2］。

3．3．2 地下管線垂直、水平位移監(jiān)測(cè)

在基地北側(cè)楊樹(shù)浦路下的重要管線—上水管處設(shè)置14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為S1—S14。累積最大沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(S11)為27．96 mm，累積最大水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(S9)為19 mm，各測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖7、圖8。在0～20 d范圍內(nèi)，為開(kāi)挖至第一道支撐底部，挖深僅為1．4 m，地表沉降和水平位移近于直線變化。在100～150 d范圍內(nèi)，由于此時(shí)分塊開(kāi)挖至一號(hào)塔樓區(qū)域且該區(qū)域開(kāi)挖深度較大，因此S9和S11處沉降急劇增大。

圖7 上水管線測(cè)點(diǎn)沉降曲線Fig．7 Settlement curve of the upper hose

圖8 上水管測(cè)點(diǎn)水平位移曲線Fig．8 Monitoring curve of horizontal displacement of the upper hose

4 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

4．1 圍護(hù)體水平位移計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較

圍護(hù)體水平位移的計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，圍護(hù)體水平位移的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值比較吻合，曲線變化規(guī)律均呈現(xiàn)“弓形”。計(jì)算的水平位移最大值為33．9 mm，實(shí)測(cè)的水平位移最大值為23 mm，相差10．9 mm。在地表下6 m以上，圍護(hù)體計(jì)算值小于實(shí)測(cè)值，6 m以下計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值。計(jì)算的圍護(hù)體水平位移的最大值的位置發(fā)生在基底以上約0．9 m處，這和實(shí)測(cè)的最大位移的位置基本相同。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均在深度26 m左右減為零，可以看出，圍護(hù)體水平位移的影響范圍約為開(kāi)挖面以下兩倍的基坑開(kāi)挖深度?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2009)［3］中基坑類別一級(jí)的灌注樁圍護(hù)墻深層水平位移的參考值為45～55 mm，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值均滿足規(guī)范要求。

圖9 圍護(hù)體CX3水平位移對(duì)比圖Fig．9 Comparison between monitoring results and numerical result of CX3

4．2 地下管線的垂直、水平位移計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較

選取有代表性的S7，S9測(cè)點(diǎn)進(jìn)行垂直、水平位移的計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較，如表3所示。

表3 各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較Table 3 Comparison between site monitoring result and numerical results

由表3可見(jiàn)，對(duì)楊樹(shù)浦路下上水管線的數(shù)值模擬計(jì)算起到了較好的控制作用，其水平側(cè)移的計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值，沉降的計(jì)算值略小于實(shí)測(cè)值。圖10為S7測(cè)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算水平位移曲線以及其與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，雖然現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值體現(xiàn)出一定離散性，但均在模擬計(jì)算可控制范圍之內(nèi)?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2009)［3］中剛性管道管線位移的報(bào)警參考值為10～30 mm，亦滿足規(guī)范要求。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值二者存在的差異可能是由于假定的計(jì)算條件與實(shí)際條件存在的差異性，上海地區(qū)軟土的流變性質(zhì)對(duì)變形發(fā)展的影響大以及施工環(huán)境復(fù)雜所引起的［4］。

圖10 S7測(cè)點(diǎn)水平位移對(duì)比圖Fig．10 Comparison between monitoring and numerical simulation on S7

5 結(jié)論

(1)土體及圍護(hù)體的最大位移隨著開(kāi)挖深度的增大而增大，最大位移點(diǎn)逐步下移，曲線變化規(guī)律近似呈“弓形”。開(kāi)挖對(duì)圍護(hù)體及土體的影響深度約為兩倍開(kāi)挖深度。

(2)對(duì)于開(kāi)挖面積大、深度深、緊鄰道路且地下管線眾多的復(fù)雜基坑工程，加強(qiáng)信息化施工十分必要。通過(guò)對(duì)管線位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)指導(dǎo)施工，降低對(duì)周邊環(huán)境的影響。

(3)對(duì)于軟土地區(qū)，土體流變效應(yīng)明顯，在基坑施工過(guò)程中，盡量減少無(wú)支撐暴露時(shí)間，盡快澆筑底板，防止土體流變產(chǎn)生過(guò)大位移。

(4)數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，但由于假定的計(jì)算條件與實(shí)際條件存在的差異性及施工過(guò)程和巖土參數(shù)的變異性等原因，使得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定差別［5］。

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