建筑深基坑變形監(jiān)測(cè)及FLAC數(shù)值模擬分析

吳廣蘭

(邵陽(yáng)學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院,湖南 邵陽(yáng) 422000)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)城市人口不斷增加,快速的城市化推動(dòng)了地產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展,各類建(構(gòu))筑物逐漸多樣復(fù)雜化,出現(xiàn)了越來(lái)越多的高層建筑,對(duì)于建筑安全要求也隨之升高[1]。各類高層建筑建設(shè)的最大難點(diǎn)之一就是深基坑,其設(shè)計(jì)、施工難度均較大,風(fēng)險(xiǎn)也較高,在施工時(shí)一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn),就可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)自身或者周圍建筑坍塌,不僅會(huì)增加建設(shè)成本,還會(huì)危及相關(guān)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全[2-3]。而施工變形監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬分析則能有效地避免這些問(wèn)題。

本文以某區(qū)商住樓工程深基坑為例,對(duì)其施工過(guò)程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),基于監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)分析其變形的原因;然后利用FLAC3D軟件對(duì)深基坑開(kāi)挖的各個(gè)階段進(jìn)行數(shù)值模擬,了解基坑的變形和穩(wěn)定性,同時(shí)將其與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,為工程施工建設(shè)決策提供參考。

1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于福州市某區(qū),總體地勢(shì)較為平坦,場(chǎng)地東側(cè)距用地紅線70 m左右為現(xiàn)有環(huán)島新路,其他各個(gè)方向均有高層建筑。整個(gè)項(xiàng)目基坑支護(hù)涉及到的主體結(jié)構(gòu)有5棟(18層)和2棟(32層)商住綜合樓。該基坑近似梯形,南北寬達(dá)129 m、東西最寬處達(dá)148 m,深度10.0 m。

根據(jù)巖土工程踏勘報(bào)告,研究的基坑地質(zhì)構(gòu)造有人工填土、沖洪積巖、殘積巖、粉砂巖等四類。其中,人工填筑土主要是由黏性土組成,面積分布多、厚度不均勻、質(zhì)地松散,土層厚度約為1.6 m～12.8 m;第四系沖洪積巖主要有泥炭質(zhì)土揭露層厚1.95 m～4.90 m和黏土揭露層厚1 m～6.80 m;第四系殘積巖主要是黏土,項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)均有分布,厚1.30 m～11.80 m;粉砂巖包括多種風(fēng)化粉巖石,深度在6 m～20 m。

2 變形監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

為保證基坑開(kāi)挖安全須對(duì)基坑及周邊環(huán)境進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè),以此掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)體、周邊建筑物的變形、受力等情況,依此判斷基坑及周邊環(huán)境的安全情況[4]。當(dāng)變形超過(guò)預(yù)警要求或現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)預(yù)警,對(duì)指導(dǎo)施工單位安全施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供重要參考。

2.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

為保證深基坑施工安全,結(jié)構(gòu)支護(hù)是必不可少的。基于工程的實(shí)際,兼顧周邊建(構(gòu))筑物、地表等安全因素,基坑采取圍護(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的綜合支護(hù)設(shè)計(jì)方案,具體是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)打入咬合樁、內(nèi)部采用混凝土支撐,其中東西方向布置3道水平支撐、四角處設(shè)置16道角撐,東西水平支撐梁間設(shè)置連接梁,兩梁相交處設(shè)計(jì)立柱樁。

基坑支護(hù)施工第一步即為打入咬合樁,該樁采用外徑1 200 mm灌注樁和600 mm,800 mm的三重管旋噴樁相互咬合組成,其相互交替咬合形成圍護(hù)樁。第二步即為建立內(nèi)支撐體系,內(nèi)支撐混凝土(C30)梁的截面為1 200 mm×1 000 mm,連接梁同樣為混凝土(C30)梁,截面為800 mm×1 000 mm,立柱旋挖成孔后灌注成樁,截面直徑為800 mm。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與布設(shè)方案

根據(jù)建筑基坑工程施工和監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范要求,并結(jié)合研究基坑實(shí)際情況,設(shè)計(jì)基坑主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容、使用的儀器設(shè)備、測(cè)點(diǎn)數(shù)量如表1所示。

其中,坑頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距15 m左右布設(shè)一個(gè);深層水平位移監(jiān)測(cè)采用測(cè)斜儀觀測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平間距20 m～50 m,測(cè)斜管長(zhǎng)度大于樁深并且嵌入到穩(wěn)定的土體中;地表沉降在基坑四周間隔一定距離分別打孔,建筑物沉降選擇有代表性的樓棟墻體位置布設(shè);立柱豎向位移監(jiān)測(cè)對(duì)所有立柱布設(shè),埋設(shè)采用帶有十字絲的特制測(cè)量釘。此外,還對(duì)項(xiàng)目區(qū)域的地下水位、周邊建筑、地表裂縫等進(jìn)行合理監(jiān)測(cè),了解施工綜合影響。

表1 主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)數(shù)量

2.3 監(jiān)測(cè)頻率及預(yù)警控制

基坑開(kāi)挖前,符合要求的情況下取平均值作為各項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容初始值;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)在主要施工期是開(kāi)挖深度小于5 m每天1次,超過(guò)5 m每天2次。當(dāng)監(jiān)測(cè)值異常如報(bào)警、速率加快、基坑及周邊大量積水、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨、市政管道出現(xiàn)泄漏、周邊地面突發(fā)較大沉降或出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂、支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂等情況時(shí)應(yīng)提高監(jiān)測(cè)頻率[5]。為此,結(jié)合工程實(shí)際制定如表2所示的報(bào)警控制指標(biāo)值。

表2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及報(bào)警值

3 開(kāi)挖過(guò)程FLAC3D模擬計(jì)算

FLAC3D軟件目前在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,該軟件由美國(guó)的Itasca公司開(kāi)發(fā),其核心理論是基于拉格朗日算法、利用多種預(yù)設(shè)的本構(gòu)模型,使用相應(yīng)的代碼、輸入相應(yīng)的參數(shù)就能模擬各種不同的材料,經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算達(dá)到清晰地反映巖土體形變規(guī)律的目的[6]。

對(duì)于基坑工程而言,使用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬可以研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及土體等的形變,可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,也可模擬開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)變情況以及預(yù)測(cè)后續(xù)開(kāi)挖形變情況,以便提前做好安全防護(hù)工作[7]。

3.1 模型建立

基坑模型建立的關(guān)鍵第一步就是確定模型尺寸,為了減小模型尺寸和邊界效應(yīng)對(duì)模擬效果的影響,此次模型垂直尺寸采用開(kāi)挖高度的3倍即30 m深。計(jì)算模型如圖1所示,建立的FLAC3D數(shù)值模擬模型有3 822 442個(gè)單元和3 949 112個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2 本構(gòu)模型與計(jì)算參數(shù)

基于本基坑占地面積較小、地質(zhì)條件分布較好等特征,假設(shè)各層巖土體分布均勻,且不存在豎直方向的起伏波動(dòng),各層物理性質(zhì)均勻,圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)各向同性,假定其他工程建設(shè)對(duì)本基坑無(wú)影響。

基于上述假定,按照土體力學(xué)性質(zhì)將其劃分為同一土體水平方向厚度相等、豎直方向的6層,其計(jì)算參數(shù)如表3所示。數(shù)值計(jì)算時(shí)土體采用Mohr-Coulomb單元、支撐立柱和地下連續(xù)墻采用實(shí)體單元、混凝土支撐采用Elas單元。

表3 建模主要力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算步驟

此次FLAC3D建模計(jì)算總體按照三步走的程序來(lái)實(shí)現(xiàn):首先施工開(kāi)挖至1.5 m;然后開(kāi)挖至4.5 m,并在該階段完成內(nèi)支撐施工;第三步繼續(xù)開(kāi)挖+內(nèi)支撐直到挖至坑底。

4 模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

論文主要模擬分析了基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移(包括X與Y方向)和地表沉降,篇幅所限,僅展示部分階段成果并進(jìn)行分析。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移對(duì)比分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定是深基坑安全的重要保障,其變形量或者變形速率超過(guò)報(bào)警值,將對(duì)工程造成重大安全威脅。下面選擇最具代表性的施工開(kāi)挖至坑底時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行分析。首先分步驟模擬計(jì)算得到如圖2所示的開(kāi)挖至坑底后圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向位移云圖,開(kāi)挖至坑底后X方向的水平位移達(dá)到最大值。但此時(shí)最大位置不是頂端而在中間偏下位置,其中西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值達(dá)14.8 mm,東側(cè)最大水平位移12.6 mm?？傮w而言,模擬計(jì)算結(jié)果未達(dá)到預(yù)警值,基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

而根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)東西方向(X方向)監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)分析,在監(jiān)測(cè)期數(shù)第80期(2021年10月31日)時(shí),深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX10單次變化速率預(yù)警,而其累計(jì)變化量正常,但這個(gè)情況依然值得關(guān)注,其曲線圖如圖3所示。將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果變化情況進(jìn)行比較分析,計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果在數(shù)值上有些不同,但是兩者數(shù)據(jù)差距不大,變形的趨勢(shì)基本一致,圍護(hù)樁最大位移處都不是出現(xiàn)在樁頂,而是在深基坑垂直方向二分之一左右位置。

4.2 地表沉降對(duì)比分析

基坑開(kāi)挖施工在坑內(nèi)被挖除后坑內(nèi)外土體的應(yīng)力場(chǎng)失去平衡,對(duì)坑外影響最直接的就屬地表沉降和建構(gòu)筑沉降。本文利用FLAC3D軟件模擬基坑開(kāi)挖三個(gè)階段的基坑周圍地表沉降規(guī)律,得到各階段的沉降位移云圖。其中,開(kāi)挖至坑底后的沉降云圖如圖4所示,結(jié)合其他兩個(gè)階段的成果來(lái)分析,各階段基坑周圍地表都有大量的沉降,但沉降主要集中在基坑四周,前兩個(gè)階段因開(kāi)挖深度較小變形相對(duì)較小,當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)到坑底10 m時(shí),基坑開(kāi)挖對(duì)周圍地表形變影響大,地表沉降量達(dá)到最大值19.2 mm,各階段預(yù)測(cè)的沉降量曲線見(jiàn)圖5(紅色曲線)。

對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩者基本吻合。因本項(xiàng)目地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量非常大,以典型地表沉降點(diǎn)D10進(jìn)行分析,在截取的監(jiān)測(cè)期其沉降曲線如圖5所示(藍(lán)色曲線)。從圖5看出,基坑周圍地表沉降大致可分為三個(gè)階段:1)5月初至7月中旬,這一階段基坑變形較小,該階段施工對(duì)土體擾動(dòng)較小。2)7月中旬至10月底,該階段是主要施工建設(shè)時(shí)期,地表沉降連續(xù)增加、變化速率較大。3)第三階段自11月始處于穩(wěn)定階段,沉降變化基本穩(wěn)定。

4.3 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)差異分析

通過(guò)模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),利用FLAC3D有限差分軟件模擬建筑工程基坑開(kāi)挖施工過(guò)程的變形,總體與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形規(guī)律相吻合,基本能夠體現(xiàn)施工各階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地表、周圍建(構(gòu))筑物等變形情況。但是,事實(shí)上模擬計(jì)算結(jié)果與變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)存在一些偏差,如變形值的大小存在差距等,基于本工程的實(shí)際認(rèn)為主要原因有以下幾個(gè)方面:

1)基坑建模誤差。模型建立是影響FLAC3D計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵因素,重點(diǎn)包括土力學(xué)參數(shù)、邊界條件、基坑尺寸等建模參數(shù)。由于工程環(huán)境十分復(fù)雜,巖土體土質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性,導(dǎo)致建模輸入的力學(xué)參數(shù)與實(shí)際值相差較大[8]。如根據(jù)經(jīng)驗(yàn)回彈模量取值為壓縮模量的3倍～5倍,實(shí)際工作中難以獲得準(zhǔn)確的取值參考,需要豐富的經(jīng)驗(yàn)并不斷的反復(fù)調(diào)整才能最終得到比較滿意的結(jié)果。另外,還有模型單元不滿足變形的協(xié)調(diào)和連續(xù)性因素對(duì)結(jié)果的影響同樣很大,原因是FLAC程序?qū)Ψ治鰧?duì)象的單元?jiǎng)澐窒鄬?duì)較大,每個(gè)單元產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的不平衡力被集中簡(jiǎn)化在網(wǎng)點(diǎn)處,未考慮土體之間的剪切力和相互約束作用[9]。

2)土體變形的時(shí)間效應(yīng)。根據(jù)土力學(xué)原理,土體變形是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程,對(duì)于基坑開(kāi)挖施工其邊坡土體往往可以維持相對(duì)穩(wěn)定一段時(shí)間,即土體變形具有時(shí)間效應(yīng)。而FLAC3D程序數(shù)值模擬時(shí)假定土體變形瞬間完成,沒(méi)有考慮土體的蠕變特征,因此也會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差[10]。

3)基坑工況差異。本文在模擬計(jì)算過(guò)程中雖然是分步驟進(jìn)行模擬分析,結(jié)合開(kāi)挖施工、支護(hù)進(jìn)行計(jì)算,但是在事實(shí)上很難與工程開(kāi)挖施工過(guò)程完全一致,尤其是對(duì)于邊開(kāi)挖邊支護(hù)方法,支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成過(guò)程中對(duì)土體變形會(huì)造成影響,FLAC3D數(shù)值模擬目前難以達(dá)到這種動(dòng)態(tài)計(jì)算。

4.4 基于監(jiān)測(cè)與模擬分析提出的施工建議

根據(jù)監(jiān)測(cè)與模擬結(jié)果,部分監(jiān)測(cè)值或者變化速率出現(xiàn)預(yù)警的情況,需要結(jié)合工程實(shí)際采取合理的措施來(lái)控制變形發(fā)展。如基于全面、科學(xué)的巖土工程勘察報(bào)告設(shè)計(jì)基坑尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐方案;施工前通過(guò)建立地下連續(xù)墻等方式對(duì)基坑進(jìn)行降水控制;按照對(duì)稱開(kāi)挖、分層開(kāi)挖、不超挖的原則開(kāi)挖,支護(hù)結(jié)構(gòu)施工按照標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)槽、挖孔、澆筑鋼筋混凝土,在支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后再進(jìn)行后續(xù)開(kāi)挖;優(yōu)化監(jiān)測(cè)方案并進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)等。

5 結(jié)論

1)建筑深基坑工程周邊環(huán)境、地質(zhì)條件復(fù)雜,需要進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè),所得數(shù)據(jù)能夠較好地反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)、立柱、周邊建筑物、基坑周邊地表的變形,對(duì)指導(dǎo)安全施工、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有重要意義。

2)如果能夠準(zhǔn)確獲取巖土體力學(xué)參數(shù)、充分考慮基坑主體結(jié)構(gòu)、開(kāi)挖與支護(hù)步驟以及模型邊界條件,應(yīng)用FLAC3D有限差分模擬軟件能夠得到較準(zhǔn)確的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移等因子的數(shù)值及變化趨勢(shì)。

3)基坑各階段FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合、規(guī)律基本一致,表明該軟件在巖土體工程變形計(jì)算、預(yù)測(cè)方面具有較好的效果。出現(xiàn)數(shù)值有一定差別的原因主要是建模誤差、土體變形的時(shí)間效應(yīng)、基坑工況差異等。