蘭州市某基坑地表沉降監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬分析

張茂盛

（甘肅省長(zhǎng)城建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在實(shí)際的基坑工程中，地質(zhì)水文環(huán)境十分復(fù)雜，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力隨著基坑開(kāi)挖發(fā)生變化[1,2]。另外，受施工方法和地面堆載條件的影響，基坑的變形與設(shè)計(jì)結(jié)果有所差別。周邊土體沉降對(duì)鄰近建筑物、構(gòu)筑物和管道的影響很大，研究基坑開(kāi)挖產(chǎn)生沉降量，已經(jīng)成為基坑設(shè)計(jì)中的突出問(wèn)題[3]。在一定程度上，基坑開(kāi)挖支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工依靠經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)基坑變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是很有必要的[4]。變形監(jiān)測(cè)能及時(shí)掌握基坑自身的安全性以及周邊環(huán)境的變化情況。掌握基坑開(kāi)挖產(chǎn)生地表沉降對(duì)周邊環(huán)境的影響，可為優(yōu)化設(shè)計(jì)和信息化施工提供依據(jù)[5]。

針對(duì)基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降問(wèn)題，本文結(jié)合蘭州市某基坑實(shí)例，研究沉降量的變化情況。借助PLAXIS巖土有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[6,7]，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析其變形規(guī)律，最終得出一些有益結(jié)論，為類似工程提供參考。

1 工程與地質(zhì)概況

1.1 工程概況

蘭州市某綜合住宅樓項(xiàng)目深基坑工程，總支護(hù)長(zhǎng)度約為256m，開(kāi)挖深度11m，基坑周圍環(huán)境較為復(fù)雜，分段采用排樁預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘進(jìn)行支護(hù)。如圖1所示，基坑西側(cè)支護(hù)段采用排樁預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，排樁樁徑800mm，間距2.0m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。錨桿材料選用HRB400級(jí)鋼筋，直徑28mm，間距2.0m，孔徑150mm，傾角為10 度，預(yù)應(yīng)力為100kN。

1.2 地質(zhì)概況

圖1 西側(cè)支護(hù)段剖面圖

基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)土層復(fù)雜，主要有雜填土、黃土狀粉土、卵石土、分支粘土、細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉土、卵石等土層，土層相關(guān)參數(shù)如表1所示。基坑開(kāi)挖施工期間，地下水水位深約為20m。

2 沉降監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)本基坑工程，在基坑西側(cè)支護(hù)段地表垂直基坑邊方向間距2.0m布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共13個(gè)，采用鉆具成孔方式埋設(shè)，孔徑80mm，孔深1.5m。沉降監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)共3個(gè)，在沉降穩(wěn)定的建筑物上布設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在車輛和行人少的穩(wěn)定區(qū)域埋設(shè)1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，具體的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量隨時(shí)間變化曲線

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 沉降量隨時(shí)間的變化

圖3給出了部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量隨著時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，基坑開(kāi)挖初期地表沉降量較小，變化穩(wěn)定。隨著基坑的不斷開(kāi)挖，地表沉降速率增大，并且數(shù)值變化明顯?；娱_(kāi)挖完成后，沉降速率減小，沉降值趨于穩(wěn)定。對(duì)比不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，距離坑邊不同距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量的變化不同?？拷?，距離坑邊0-4m之間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)cj2、cj3沉降變化曲線相對(duì)平緩，最大沉降量也較小。距坑邊11m-13m外的監(jiān)測(cè)點(diǎn)cj6、cj7在基坑開(kāi)挖后期變化速率最快，沉降量最大。遠(yuǎn)離基坑，距坑邊22m-24m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)cj12、cj13的沉降量曲線平緩，最大沉降量較小。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，本基坑工程沉降量最大值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)cj6附近，距離約為基坑開(kāi)挖深度的1倍左右。由此可以看出，在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地表沉降量最大值并不是出現(xiàn)在坑邊，而是出現(xiàn)在距離坑邊一定范圍內(nèi)的區(qū)域。

3.2 沉降量隨開(kāi)挖階段的變化

圖4給出了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量隨基坑開(kāi)挖過(guò)程的變化曲線。從圖中可以看出，隨著開(kāi)挖距離坑邊6m-16m范圍內(nèi)的地表沉降較為明顯。最大沉降值出現(xiàn)在cj6監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，最大值為21mm。基坑開(kāi)挖初期，坑外地表沉降較小，沉降最大值出現(xiàn)在坑邊附近。隨著基坑的不斷開(kāi)挖，最大沉降點(diǎn)逐漸外移?；娱_(kāi)挖中后期，坑外地表沉降增幅明顯，沉降范圍擴(kuò)大。開(kāi)挖完成后，坑外地表沉降繼續(xù)增大，但是增幅相對(duì)減小，最終沉降量趨于穩(wěn)定。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量隨基坑開(kāi)挖過(guò)程變化曲線

4 PLAXIS數(shù)值模擬

圖5 計(jì)算幾何模型

4.1 建立有限元模型

本文采用PLAXIS巖土有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[8-10]。選取基坑寬度一半建模，模型寬60m，深30m，采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬土體，建立平面應(yīng)變有限元模型。支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體相互作用用接觸面單元模擬，并將接觸單元擴(kuò)展至支護(hù)結(jié)構(gòu)下1m位置。假定模型左右邊界水平位移為零，底部邊界固定。建立計(jì)算幾何模型如圖5所示。模型采用中等粗糙程度的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對(duì)樁、錨桿周圍、坑外地表附近土層、開(kāi)挖面附近土層進(jìn)行加密。

4.2 模擬結(jié)果分析

通過(guò)有限元模型進(jìn)行彈塑性計(jì)算，提取垂直位移云圖，如圖6所示。

提取模擬結(jié)果，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)最大沉降量出現(xiàn)在距離坑邊11m的位置，最大值為22.1mm，而PLAXIS軟件模擬最大沉降量出現(xiàn)在距離坑邊14.8m位置，最大值為20.35mm，實(shí)測(cè)坑外地表沉降范圍約為2-3倍的基坑深度，PLAXIS軟件模擬所得沉降范圍約為3倍的基坑深度。兩者計(jì)算結(jié)果和曲線趨勢(shì)基本一致。

5 結(jié)語(yǔ)

以蘭州市某基坑工程為例，分析了地表沉降監(jiān)測(cè)在具體工程中的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地表沉降量最大值并不是出現(xiàn)在坑邊，而是出現(xiàn)在距離坑邊一定范圍內(nèi)的區(qū)域。

圖6 計(jì)算幾何模型

圖7 地表沉降變化的對(duì)比分析

2）基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降主要發(fā)生在開(kāi)挖的中后期?；娱_(kāi)挖初期，沉降不明顯，僅發(fā)生在坑邊一定區(qū)域內(nèi)。隨著基坑的不斷開(kāi)挖，坑外地表沉降范圍不斷擴(kuò)大，且最大沉降點(diǎn)位置逐漸遠(yuǎn)離基坑邊方向移動(dòng)，沉降最大值也不斷增大。開(kāi)挖完成一定時(shí)間內(nèi)，坑外地表沉降量繼續(xù)增大，但增長(zhǎng)速率大大減小，直至施工完成后趨于穩(wěn)定。

3）借助PLAXIS巖土有限元軟件模擬計(jì)算基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降是可行的，能較好地吻合實(shí)際工程，可為基坑開(kāi)挖的監(jiān)測(cè)提供一定的指導(dǎo)。