某復(fù)合土釘墻支護基坑的變形監(jiān)測與數(shù)值模擬研究

黃 河，梁 東，聶 棒，康文獻，張敬東，何俊照，王安明

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；2.河南省地礦建設(shè)工程(集團)有限公司，河南 鄭州 450071；3.河南卓越建設(shè)工程有限公司，河南 鄭州 450016)

復(fù)合土釘墻在我國的發(fā)展較晚，支護技術(shù)不成熟，大多數(shù)支護設(shè)計都是工程師依據(jù)工程經(jīng)驗來設(shè)計的。然而，在具體的施工過程中存在著許多不確定因素，而根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)計的方案有時不能保證基坑的安全。為了保證工程的安全性，復(fù)合土釘墻施工過程中需要對基坑變形進行監(jiān)測[1-2]。本文對某復(fù)合土釘墻支護基坑進行了現(xiàn)場監(jiān)測，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患并調(diào)整設(shè)計和施工方案，確保施工的安全。除此之外，本文還結(jié)合有限元軟件MIDAS/GTS對該深基坑支護工程進行數(shù)值模擬，通過對模擬結(jié)果的分析來確保復(fù)合土釘墻設(shè)計，施工的可靠性[3-5]。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

該工程場地位于鄭州滎陽市，擬建項目整平地面標高152.90 m～168.80 m，呈南高北低，基底標高為149.17 m～155.45 m，基坑深度為自然地面下0.80 m～17.50 m，基坑東側(cè)的上入口線距離最近的地面紅線約5.2 m，基坑南側(cè)的上入口線距離最近的用地紅線約4.9 m，東南側(cè)的局部位置超過用地紅線約5.1 m，基坑西側(cè)距離最近的施工道路約9.2 m。

1.2 地質(zhì)條件

擬建場地屬于山前沖積傾斜平原，地貌單一，地形南高北低，最高高差約16 m，根據(jù)地質(zhì)報告顯示，對基坑支護有影響的地層共有五層，第1層：耕土，層厚0.3 m～1.0 m；第2層：粉士，層厚4.2 m～10.3 m；第3層：粉質(zhì)黏土，層厚4.3 m～14.3 m；第4層：粉質(zhì)黏土，層厚3.8 m～17.2 m；第5層：中砂，層厚13.4 m～25.0 m。勘察期間擬建場地地下水位埋深29.4 m～44.9 m(高約為123.30 m～12.88 m)，水位最大變幅約2.0 m。不考慮降水。

2 基坑支護設(shè)計與工程監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測內(nèi)容和測點數(shù)量

結(jié)合本工程實際情況，在基坑開挖過程中進行以下幾項監(jiān)測內(nèi)容：(1)基坑側(cè)壁頂部的豎向位移；(2)基坑側(cè)壁頂部的水平位移；(3)基坑側(cè)壁的深層水平位移。

根據(jù)施工方案和工程現(xiàn)場的實際情況，在基坑周圍布置了47個測點，編號為S1—S47。同時，在基坑周圍布置了14個測斜管，編號為CX1—CX14?，F(xiàn)選取工程中具有代表性的基坑南側(cè)進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，具體的監(jiān)測布置示意圖如圖1所示。

圖1 基坑監(jiān)測布置示意圖

2.2 基坑支護方案

根據(jù)有關(guān)規(guī)范標準，本著“尊重規(guī)范，節(jié)約成本，重點關(guān)注”的原則，結(jié)合本工程實際情況，在基坑的南側(cè)采用復(fù)合土釘墻支護結(jié)構(gòu)，其余區(qū)域采用土釘墻支護結(jié)構(gòu)。南側(cè)的復(fù)合土釘墻結(jié)構(gòu)主要由土釘，錨桿，微型樁組成，基坑南側(cè)有一定的傾角，并且通過一級臺階把基坑分成了兩層，南側(cè)基坑1-1處的支護設(shè)計如圖2所示。

圖2 基坑南側(cè)支護設(shè)計剖面

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 基坑側(cè)壁深層水平位移監(jiān)測

深層水平位移是能夠直接反映基坑安全狀態(tài)的指標之一。通過對其監(jiān)測可以判斷支護結(jié)構(gòu)的安全性[6-7]。現(xiàn)選取工程中具有代表性的基坑南側(cè)進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析。在基坑南側(cè)周邊埋設(shè)6#、8#測斜管，長度均為12 m，基坑側(cè)壁深層水平位移的變化與基坑開挖深度和底板的澆筑時間有很大的關(guān)系?；娱_挖越深，變形量越大，最大變形位置隨著開挖深度的增加而逐步下移。圖3、圖4為6#、8#測斜管深層水平位移-時間關(guān)系曲線。分析這兩個測斜管的深層水平位移變化曲線，發(fā)現(xiàn)6#和8#管的最大位移均出現(xiàn)在其埋深1 m的位置處，其數(shù)值在2020年5月13號到2020年5月25號之間均有明顯的增長，經(jīng)過現(xiàn)場的實際查看，發(fā)現(xiàn)基坑南側(cè)頂部的部分混凝土面層噴射不均勻，使其部分土體裸露出來，并伴有一些細小裂縫，因此導致了基坑上部的水平位移有了明顯的增長。后經(jīng)過施工人員的處理，在裸露的土體處重新噴射一層混凝土后，其水平位移在5月25號以后不再有明顯的增長，且趨于穩(wěn)定?；悠溆嗌疃鹊乃轿灰魄€基本呈現(xiàn)出“兩頭小，中間大”的特征，開挖到后期，深層水平位移的曲線圖成鼓腹狀。6#管處深層水平位移最大值為4.8 mm，8#管處深層水平位移最大值為1.75 mm，均位于埋深1 m的位置。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，基坑的變形值在開挖期間均在報警值范圍內(nèi)；從深層水平位移變化速率來看，其值也在報警值范圍之內(nèi)。處于安全可控范圍[8-9]。

圖3 6#測斜管深層水平位移變化曲線

圖4 8#測斜管深層水平位移變化曲線

3.2 基坑側(cè)壁頂部水平位移分析

從圖5所示的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線看，各監(jiān)測點的水平位移值是隨著開挖深度的增加而增大的，但是增長趨勢是逐漸變緩的。由圖5可以看出基坑開挖初期，頂部水平位移增長較快，這是由于初期基坑開挖較快，未對基坑側(cè)壁進行及時支護導致的，隨著基坑的陸續(xù)開挖，土釘，錨桿，微型樁等支護工程施工完畢后，水平位移變化速率降低，基坑開挖結(jié)束后各監(jiān)測點位移幾乎不再有變化，趨于穩(wěn)定。由圖5可知基坑頂部水平位移最大處在S27處，從現(xiàn)場實際情況來看，其原因是S27處堆放了大量的建筑材料，對基坑的變形有一定的影響，這也說明現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際情況相符，最大值為10.53 mm，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知基坑變形值在報警值范圍內(nèi)。

圖5 坡頂水平位移變化曲線

3.3 基坑側(cè)壁頂部豎向位移分析

從圖6所示的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線可以看出，各監(jiān)測點的頂部豎向位移值隨著基坑開挖深度的增加而增大，豎向位移變化曲線在2020年4月21日處出現(xiàn)了拐點，坡頂豎向位移值增加的趨勢變緩。開挖到底之后基坑頂部豎向位移值逐漸趨于穩(wěn)定。坡頂豎向位移最大值點位于基坑S24點，其值為6.21 mm，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知基坑變形值在報警值范圍內(nèi)；從基坑頂部豎向位移變化速率來看，其值也在報警值范圍之內(nèi)，表明基坑開挖時圍護結(jié)構(gòu)位移處于安全可控狀態(tài)。

圖6 坡頂豎向位移變化曲線

4 數(shù)值模擬分析

MIDAS/GTS NX是為巖土工程領(lǐng)域開發(fā)的通用有限元分析軟件，它具有強大的前后處理功能，以及全面的巖土領(lǐng)域分析功能，適用巖土工程施工階段模擬，綜合考慮工程實際情況，本深基坑工程用MIDAS/GTS NX模擬[10-12]。

4.1 計算模型

基坑較大，選取最具代表性的基坑南側(cè)進行數(shù)值模擬分析，南坡的支護方案為復(fù)合土釘墻，設(shè)計兩排微型樁，分別在基坑頂部和臺階上，水平間距為1.5 m，長度為12 m。

錨桿和土釘?shù)乳g距布置，水平間距為1.5 m，豎向間距1.3 m，傾角從上到下保持一致，均為15°，土層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

在建模過程中，土體的本構(gòu)模型采用修正Mohr-Coulomb模型，錨桿采用錨建模助手建立，土釘采用植入式桁架，微型樁采用梁單元模型，不考慮降水的影響。根據(jù)設(shè)計要求，深基坑數(shù)值模型的開挖影響深度一般為開挖深度的三到五倍[13-14]，現(xiàn)選取基坑南側(cè)的位置進行數(shù)值模擬，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況可建如圖7所示的三維模型。

圖7 基坑整體模型圖

4.2 模擬結(jié)果與分析

4.2.1 基坑水平位移

深基坑開挖到底后整體水平位移的云圖如圖8。

圖8 開挖到底后基坑x方向的水平位移云圖

由圖8可知，基坑開挖到底后，基坑整體的水平位移最大為8.57 mm，本深基坑的安全等級為一級，最大深層水平位移值小于規(guī)定的預(yù)警值40 mm，深層水平位移最大處位于基坑開挖深度10 m處，約為基坑深度的2/3，小于規(guī)定的預(yù)警值30 mm。整體來看基坑的變形較穩(wěn)定，處于安全可控的范圍內(nèi)。

開挖到底后1-1剖面處的水平位移，由圖9可以看出深層水平位移最大為7.06 mm，位于基坑開挖深度11 m處，約為基坑深度的2/3，頂部的水平位移為2.13 mm。實際監(jiān)測值與模擬值有所差別，主要是因為現(xiàn)場施工條件具有不確定性，數(shù)值模擬無法完美的模擬出現(xiàn)場工況[15]。

圖9 開挖到底后1-1剖面處水平位移云圖

4.2.2 基坑豎向位移

深基坑開挖到底后整體豎向位移云圖如圖10所示。開挖結(jié)束后1-1剖面處豎向位移云圖如圖11所示。

圖10 開挖到底后基坑z方向的豎向位移云圖

圖11 開挖結(jié)束后1-1剖面處豎向位移云圖

由圖10可知，在遠離基坑的方向上，地表的沉降值先增大再減小，最后趨于穩(wěn)定，最大沉降值為5.56 mm，小于規(guī)定的預(yù)警值25 mm，坡頂?shù)呢Q向位移為4.1 mm，小于規(guī)定的預(yù)警值20 mm，坑底的隆起值最大為12.67 mm，也小于預(yù)警值30 mm，因此從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，基坑的整體變形值在安全范圍之內(nèi)。

由圖11可知,1-1剖面處豎向位移的變化趨勢與基坑整體的豎向位移變化趨勢相同，頂部的豎向位移為2.55 mm,坑底的隆起值最大為12.15 mm[16]。

5 結(jié) 語

本文通過對某深基坑復(fù)合土釘墻支護工程進行監(jiān)測與數(shù)值模擬的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)基坑側(cè)壁深層水平位移隨著基坑的開挖處于逐漸增長狀態(tài)，開挖到后期，深層水平位移曲線沿深度方向呈鼓腹狀變化。

(2)隨著開挖深度的增加，基坑的整體位移也逐漸增大，但是其變形趨勢是逐漸減小的。

(3)從基坑側(cè)壁頂部水平位移、頂部豎向及深層水平位移監(jiān)測的結(jié)果可知，該工程的支護方案效果良好，可滿足設(shè)計和環(huán)境的要求。

(4)運用MIDAS/GTS對該復(fù)合土釘墻基坑工程進行數(shù)值模擬，其數(shù)值模擬的結(jié)果也在安全可控的范圍之內(nèi)。通過對模擬結(jié)果的分析可以確保復(fù)合土釘墻設(shè)計、施工的可靠性，為實際基坑開挖提供了一定的參考。