某深基坑開挖位移特征的數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測分析

蔣 蕤 吳 景 魏 東 戴 波 孫鵬飛

(1.中國建筑第四工程局有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519000； 2.中山大學工學院，廣東 廣州 510000)

某深基坑開挖位移特征的數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測分析

蔣 蕤1吳 景1魏 東1戴 波1孫鵬飛2

(1.中國建筑第四工程局有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519000； 2.中山大學工學院，廣東 廣州 510000)

依托開挖實例模擬分析了該深基坑工程開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)位移變形的變化特征，并用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行了對比分析，研究表明數(shù)值分析得到的計算結(jié)果是可行的。

深基坑，基坑監(jiān)測，可靠性，基坑設(shè)計，數(shù)值模擬

1 概述

基坑工程是指在地下工程施工時，支護結(jié)構(gòu)施工、降水、土方開挖回填等工程的總稱，包括勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測和檢測等，是一項綜合的系統(tǒng)工程[1]。深基坑能使得地下空間得到高效利用，緩解城市化過程中凸顯出來的用地緊張的矛盾，是城市建設(shè)的重要規(guī)劃方向。研究施工過程中深基坑變形及穩(wěn)定性問題，對提升深基坑施工的速度、保證深基坑甚至上部結(jié)構(gòu)安全有著重大意義[2]。本文以深基坑支護體系作為研究對象，分析深基坑開挖過程中基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果驗證數(shù)值模擬的準確性，為深基坑設(shè)計和施工提供理論依據(jù)。

有限元數(shù)值模擬雖在基坑工程中應(yīng)用廣泛，但建模過程進行了部分簡化與假定，只考慮工程的主要影響因素，導致模擬分析的結(jié)果與實際變形和位移分布存在一定的差異[3,4]。因此，分析數(shù)值模擬和實際監(jiān)測結(jié)果之間的差異性，驗證數(shù)值模擬深基坑開挖的可靠性，為指導有限元分析的參數(shù)優(yōu)化、基坑設(shè)計以及施工控制等方面有著重要的研究意義。研究表明，數(shù)值模擬深基坑開挖變形只是實現(xiàn)了深基坑的靜態(tài)預(yù)測和控制，而現(xiàn)場監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)深基坑開挖過程中對變形與穩(wěn)定性的動態(tài)控制。若數(shù)值模擬的結(jié)果與實際的監(jiān)測結(jié)果相差甚遠，甚至存在數(shù)據(jù)或結(jié)論上的矛盾，數(shù)值模擬將失去其應(yīng)用價值。數(shù)值模擬為監(jiān)測提供預(yù)測信息，而監(jiān)測結(jié)果為數(shù)值模擬提供反饋信息，二者協(xié)同工作，形成信息優(yōu)勢互補，共同實現(xiàn)安全施工，保證工程質(zhì)量。因此，分析數(shù)值模擬與實際監(jiān)測結(jié)果間的差異性有著極其重要的研究價值[5,6]。

擬研究深基坑支護工程位于廣州市海珠區(qū)，地下3層車庫?；颖眰?cè)11.5 m外為環(huán)島路，東側(cè)7.0 m外為一期建筑用地，南側(cè)60.0 m內(nèi)為本項目開發(fā)用地，西側(cè)南段為開闊空地，西側(cè)北段9.0 m范圍外為多棟1層～2層廠房(天然基礎(chǔ))?；觽?cè)壁的安全等級確定為一級。場地絕對標高為7.600 m，基坑開挖底部絕對標高-7.000 m，基坑開挖深度為14.60 m，基坑周長約為560 m,開挖面積約17 950 m2。基坑安全等級為一級。

根據(jù)場地巖土工程勘察報告，整個場區(qū)地質(zhì)情況相對較復(fù)雜，地基土自上而下為第四系填土層、沖積層、殘積層及白堊系基巖。對于基本土強度參數(shù)根據(jù)勘察報告選取見表1。

2 工程背景

場地地下水主要有填土層上層滯水、砂層孔隙水及基巖裂隙水三種類型。填土層上層滯水，屬包氣帶水，含水量較少，富水性較差，動態(tài)隨季節(jié)變化，主要受大氣降雨補給；砂層孔隙水，含水量大，透水性強，富水性強，而且與珠江有密切的水力聯(lián)系，故砂層孔隙水為動態(tài)水。場地內(nèi)地下水對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)具有微弱腐蝕性[7]。

表1 土層基本參數(shù)取值表

3 數(shù)值計算分析

3.1計算模型

基坑采用2D模型，土層選用平面應(yīng)變單元模擬，支護墻體、支撐、立柱選用梁單元模擬。邊界條件為兩側(cè)水平約束，底邊豎向和水平約束。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)知地下水位在基坑開挖的過程中基本保持在地下2 m，變化不大，因此計算時水位取地下2 m?？觾?nèi)加固土體采用Mohr-Coulomb模型，為了實現(xiàn)模擬的可操作性，認為加固土是存在于原土層中，即計算地應(yīng)力場時已經(jīng)加固。開挖以前的初始應(yīng)力和初始位移場的變化不予考慮，土體的初始位移假清零。

基坑開挖深度14.6 m，寬60 m。為了減小尺寸效應(yīng)，結(jié)合經(jīng)驗，基坑開挖一般認為在水平方向上的影響距離為5倍的基坑開挖深度，5倍開挖深度以外影響較小。在深度上，連續(xù)墻底落于強風化巖上，尺寸效應(yīng)對其影響小，而且坑底距巖石頂面約8.5 m，所以自連續(xù)墻底至模型底取1倍～2倍開挖深度[8]。因此最終的模型大小為：長241 m，高46 m。

基坑模型網(wǎng)格劃分見圖1。

3.2工況模擬

現(xiàn)場施工流程：

1)第一步開挖→施工第一道支撐；

2)第二步開挖→施工第二道內(nèi)支撐；

3)開挖到底→施工底板。

MIDAS/GTS軟件中土方開挖和支撐施加是通過單元激活鈍化實現(xiàn)，開挖通過鈍化開挖土層單元，施加內(nèi)支撐則通過激活支撐實現(xiàn)的，這個工程模擬過程和實現(xiàn)方法如表2所示。

表2 MIDAS/GTS模擬過程

基坑的變形不僅和周邊的土體性質(zhì)存在很大關(guān)系，同時和支護結(jié)構(gòu)的剛度有很大關(guān)系，結(jié)構(gòu)剛度越大，則變形越小。根據(jù)基坑設(shè)計情況，支護結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表3。

表3 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)取值表

4 計算結(jié)果分析

將每步的位移分為水平位移和豎向位移，并綜合總位移來分析，位移云圖如圖2～圖4所示。

對比水平位移云圖發(fā)現(xiàn)，在第一步開挖時，基坑最大變形出現(xiàn)在基坑的頂部，后續(xù)步開挖時最大變形則在基坑開挖面附近，同時隨著基坑的開挖，其位置向下移動。第一步開挖時，由于沒有施加內(nèi)支撐，基坑變形呈懸臂式；施加第一道支撐后，支撐限制住坑頂位移。繼續(xù)開挖后，隨著時間的推移，最大變形位置向下轉(zhuǎn)移。最終由于上部支撐限制住上部連續(xù)墻的變形，下部由于軟土流變作用，坑底隆起量越來越大，在基坑開挖面附近向坑內(nèi)出現(xiàn)大的水平位移。

對比豎向位移云圖發(fā)現(xiàn)：第一步開挖時，坑底隆起成“拱型”，其他步開挖呈駝峰型；分析其主要原因，第一步開挖時間短，坑底隆起量主要是由卸載出現(xiàn)的坑底回彈引起的。在靠近連續(xù)墻的位置，因連續(xù)墻和土體之間的摩擦阻力，對土體有一個豎向的約束作用；對于其他步，坑底隆起量由兩部分組成，一部分是坑內(nèi)土體卸載出現(xiàn)的彈性恢復(fù)，另一部分就是連續(xù)墻側(cè)向變形對土體產(chǎn)生擠壓，導致坑底隆起。在第二步開挖之后第二部分則起主導作用，從而導致出現(xiàn)了駝峰式的變形。對于坑外層，變形成“勺”形。在第一步開挖時，地表沉降很小，只有2 mm，可見短時間的淺層開挖，對周邊土體影響不大。

隨著基坑的開挖，基坑影響的范圍越來越廣，在開挖到坑底時，在基坑3倍開挖深度范圍內(nèi)的土體影響顯著，最明顯的是距離坑邊15 m左右的土體。從最終的總位移云圖來看，基坑開挖影響的范圍超過5倍開挖深度，影響范圍如此之廣的主要原因是基坑位于深厚軟土地區(qū)，具有很強的流變性，基坑的開挖帶動大范圍土體的流動。

5 深基坑開挖數(shù)值模擬的可靠性分析

5.1沉降模擬曲線與實測曲線對比分析

為了更直觀地體現(xiàn)基坑開挖過程中的流變特性，提取距基坑邊15 m處的模擬沉降位移時程曲線見圖5。

由圖5可知，該模擬沉降曲線和沉降測量曲線無論是變形趨勢還是總的變形量上，吻合度都比較高。從沉降測量曲線看，基坑沉降大致呈“臺階式”發(fā)展，在底板澆筑后沉降變形趨于穩(wěn)定，但是隨著時間的發(fā)展，變形還在繼續(xù)增長；模擬曲線也顯示此種規(guī)律，在基坑開挖階段，模擬曲線的臺階型增長不是很明顯，變形隨時間近似成線性增長。

5.2MIDAS/GTS模擬結(jié)果對比分析[2]

采用MIDAS有限元軟件對基坑開挖進行數(shù)值模擬，但模擬過程參數(shù)的選取與確定至關(guān)重要。雖然數(shù)值模擬的模型對實質(zhì)工程進行了結(jié)構(gòu)簡化，并忽略了一些對基坑變形影響相對次要的因素(如水位、滲透、固結(jié))，還對部分結(jié)構(gòu)進行了等效轉(zhuǎn)換(如數(shù)值模型中并未模擬鋼立柱，實際模擬中是在鋼立柱處施加約束，并相應(yīng)增大支撐處的剛度)。因此數(shù)值模擬與工程的實際情況不能完全吻合，但通過結(jié)果對比可以看出，數(shù)值模擬分析具有一定的可靠性，其計算結(jié)果相對保守。

6 結(jié)語

本文基于實例工程的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證MIDAS/GTS數(shù)值模擬的準確性和可靠性，并用實測數(shù)據(jù)與MIDAS/GTS數(shù)值模擬結(jié)果進行對比?？偨Y(jié)全文，得出如下結(jié)論：

1)根據(jù)場地巖土工程勘察報告提取土層參數(shù)，再由基坑開挖影響土體的范圍，運用MIDAS/GTS軟件建立現(xiàn)場的241 m×46 m大小的巖土模型，并模擬現(xiàn)場三步開挖的施工順序，從而利用MIDAS/GTS軟件計算得出土體的位移變形云圖。

2)由水平云圖得知，第一步開挖時，基坑最大變形出現(xiàn)在基坑的頂部，后續(xù)步開挖時最大變形則在基坑開挖面附近，同時隨著基坑的開挖，其位置向下移動，最終坑底隆起量越來越大，在基坑開挖面附近向坑內(nèi)出現(xiàn)大的水平位移。由豎向云圖得知，第一步開挖時，地表沉降很小，只有2 mm，可見短時間的淺層開挖，對周邊土體影響不大。隨著基坑的開挖，基坑影響的范圍越來越廣，在開挖到坑底時，在基坑3倍開挖深度范圍內(nèi)的土體影響顯著，最明顯的是距離坑邊15 m左右的土體。

3)通過本文的研究表明，使用MIDAS/GTS等有限元軟件事先對實際工程基坑變形進行預(yù)測，事中對基坑工程的安全施工進行分析具有重要的實際意義，并具有較高的可靠性。為了保證對基坑等結(jié)構(gòu)做出的可靠性評價準確、可信，數(shù)據(jù)的采集和計算必須嚴謹對待。

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Numericalsimulationandfieldmonitoringanalysisofdisplacementcharacteristicsofadeepfoundationpitexcavation

JiangRui1WuJing1WeiDong1DaiBo1SunPengfei2

(1.ChinaConstructionFourthEngineeringBureauCo.,Ltd,ZhuhaiBranch,Zhuhai519000,China; 2.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510000,China)

Based on an excavation example, the displacement and deformation characteristics of the retaining structure are simulated and analyzed during the excavation of the deep foundation pit, and the simulation results are compared and analyzed by field monitoring data. The research of this paper can provide reference for the design and construction of related engineering in the future. The results show that the numerical analysis is feasible.

deep foundation pit, foundation pit monitoring, reliability, designing of foundation pit, numerical simulation

1009-6825(2017)28-0066-03

2017-07-26

孫鵬飛(1994- )，男，在讀碩士

TU470

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