城市建筑深基坑變形與數(shù)值模擬淺析

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摘要：文中以濰坊市站南廣場基坑工程為例，通過現(xiàn)場布設(shè)的18個監(jiān)測點，對復(fù)雜環(huán)境下城市建筑深基坑頂部豎向沉降和水平位移進行實時監(jiān)測，變形最大值分別為21mm、21.4mm，均未超過預(yù)警值。利用FLAC3D軟件數(shù)值模擬，能夠較好地反映實際開挖過程。結(jié)果表明，該支護設(shè)計方案確保了現(xiàn)場安全，對其他地區(qū)類似基坑工程設(shè)計與監(jiān)測有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：城市復(fù)雜環(huán)境；深基坑；工程監(jiān)測；數(shù)值模擬；位移

0引言

隨著城市化建設(shè)的不斷推進，特別是大中城市高層及超高層建筑物的興建及地下空間的開發(fā)利用，基坑開挖向著更深更大的方向發(fā)展，必然導(dǎo)致出現(xiàn)很多深基坑工程。深基坑工程位置多處于復(fù)雜環(huán)境下城市繁華街區(qū)，基坑開挖會對周邊建筑物以及地下結(jié)構(gòu)及光纜管線等造成不同程度影響，對人們的生產(chǎn)生活造成影響。鑒于此，有必要對深基坑邊坡穩(wěn)定性進行進一步研究。國內(nèi)外眾多學(xué)者對基坑工程以及基坑監(jiān)測技術(shù)、變形沉降等問題［1-3］進行了研究，Wong等［4］通過現(xiàn)場基坑工程監(jiān)測分析了新加坡地下工程的基坑變形以及土層支護，得出了基坑豎向沉降與水平位移與基坑下方土層的力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系；周秋月［5］等基于具體的綜合管廊基坑工程，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得出了沉降速率受開挖速率的影響，并得出基坑開挖速率過快會導(dǎo)致沉降速率加大的規(guī)律；宋建學(xué)［6］等根據(jù)具體基坑工程監(jiān)測，指出基坑變形監(jiān)測的重點在于累積變形值以及變化速率等預(yù)警值；尹利潔［7］等通過分析蘭州地鐵雁園路站基坑施工過程中支護結(jié)構(gòu)及變形監(jiān)測數(shù)據(jù)并利用MIDASGTS有限元軟件對基坑開挖過程進行了數(shù)值模擬。通過對基坑監(jiān)測技術(shù)以及變形沉降進行分析，以便采取有效措施保證基坑工程的變形與沉降并使其他不利因素處于預(yù)警值以內(nèi)。本文以濰坊市站南廣場深基坑工程為實例，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以及FLAC3D數(shù)值模擬對比分析，對該監(jiān)測項目變形以及沉降規(guī)律進行了探討，為類似基坑工程施工、變形控制以及周邊環(huán)境保護提供參考。

1工程概況

1.1項目概況

濰坊城市景觀廣場地下空間項目場區(qū)位于濰坊市濰城區(qū)倉南街以南、向陽路以東、和平路以西用框架結(jié)構(gòu)、獨立基礎(chǔ)加防水板。現(xiàn)狀地面整平標高為36.0~36.5m，基底標高為23.95~24.15m，基坑挖深為12.5m。

1.2工程地質(zhì)及水文條件

根據(jù)現(xiàn)場場區(qū)工程勘察，該施工場區(qū)原為拆遷地，場地地形總體平坦，場地地下水類型主要為潛水及風(fēng)化基巖裂隙水。勘察期間測得該場區(qū)地下水位平均埋深為7.8m，近年最高水位埋深6.0m，降水產(chǎn)生的地面沉降較小。表1表示場區(qū)基坑開挖影響范圍內(nèi)主要土層物理力學(xué)參數(shù)。

1.3基坑周邊環(huán)境條件

該地下空間項目南、北側(cè)兩倍基坑深度范圍內(nèi)無任何建構(gòu)筑物。東側(cè)燃氣管道埋深1.6~1.8m，距基礎(chǔ)邊線最近處4.6m。東側(cè)和平路地下管廊為雙倉綜合管廊，距該建筑基礎(chǔ)邊線最近處7.1m，現(xiàn)場開挖自立性較好。西側(cè)自來水管線埋深2.0m，距基礎(chǔ)邊線最近處4.4m，電纜管溝埋深1.5m，距坡頂最近處5.0m。西南角距坡頂15.8m處有地下過街通道，相鄰位置過街通道埋深9.0m，埋深最大處距基礎(chǔ)邊線22.0m，過街通道采用框架結(jié)構(gòu)獨立基礎(chǔ)。由此可見該地下空間工程周邊環(huán)境復(fù)雜。

2基坑支護設(shè)計方案及現(xiàn)場監(jiān)測

為確保地下工程開挖過程中基坑邊坡、周圍建筑物及道路的安全與穩(wěn)定，依據(jù)場地地層、周邊環(huán)境及基底標高情況，在基坑開挖前設(shè)立支護結(jié)構(gòu)并全程進行監(jiān)測［8］。

2.1支護結(jié)構(gòu)方案

該項目基坑支護設(shè)計平面圖如圖1所示。在支護過程中，土石開挖較深區(qū)域，可采取土釘墻及復(fù)合土釘墻支護，設(shè)計選取樁錨支護形式以保證場地基坑安全開挖，支護剖面如圖2所示。

2.2基坑監(jiān)測內(nèi)容

為確保該項目施工過程中基坑周圍建筑物和道路的結(jié)構(gòu)安全與使用穩(wěn)定，對開挖范圍復(fù)雜區(qū)域進行坡頂豎向沉降和水平位移現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖1所示。2020年5月13日對監(jiān)測項目進行了初值測量，坑頂沉降位移和水平位移均為0。整個基坑開挖過程對其進行每日實時監(jiān)測，直至底板混凝土澆筑完畢。主體施工開始后進行每周監(jiān)測，直至基坑回填結(jié)束。

2.3監(jiān)測結(jié)果分析

2.3.1基坑豎向沉降變化。圖3表示基坑開挖階段各監(jiān)測點累計沉降結(jié)果。分析可知，隨著基坑開挖工序的進行，各監(jiān)測點豎向位移逐漸增大，最大豎向累計位移位于6號監(jiān)測點，累計變化量為21mm，但均在豎向位移警戒值32mm以內(nèi)。由此可知，所采取的基坑支護方案能夠滿足該地下工程穩(wěn)定的要求。鑒于該地下空間項目周圍環(huán)境復(fù)雜，選取靠近道路一側(cè)監(jiān)測點進行分析［9］，監(jiān)測點隨時間豎向位移變化趨勢如圖4所示。由圖可以看出，5月、6月為基坑開挖初始階段，監(jiān)測點豎向位移變化波動劇烈。5月3日施工進度至TD-3施工結(jié)束，此時豎向位移變化量達到第一個區(qū)域峰值-0.5mm，表明此時三層土釘墻支護起到被動支護作用；6月10日，第一道錨桿施工完畢，此時豎向位移變化量達到第二個區(qū)域峰值0.4mm且后續(xù)變化量減小，表明此時錨桿支護起到主動圍護作用；6月18日，第二層錨桿施工完畢，此時沉降位移變化量達到第三個區(qū)域峰值-0.5mm且后續(xù)變化量減小，表明此時錨桿起到主動圍護作用。7月為基坑清槽、墊層及抗浮錨桿施工階段，隨著施工進度的開展，基坑底板逐漸澆筑封底，基坑沉降值逐漸趨于穩(wěn)定，且沉降值較低。2.3.2基坑水平位移變化。圖5表示基坑開挖階段各監(jiān)測點累積水平位移變化趨勢。分析可知，隨著基坑開挖工序的進行，各監(jiān)測點水平位移逐漸增大。監(jiān)測區(qū)間內(nèi)水平位移變化與豎向位移變化相似，水平位移增加較大，其最大值出現(xiàn)在監(jiān)測點8處，其值大約為21.4mm，均為超過水平位移警戒值（32mm）。圖6表示各監(jiān)測點坑頂水平位移變化趨勢。分析可知，自5月30日至TD-3施工結(jié)束，此時水平位移變化量達到第一個區(qū)域峰值-9mm，表明此時三層土釘墻支護起到被動圍護作用。施工至6月10日，第一道錨桿施工完畢，此時水平位移變化量達到第二個區(qū)域峰值-6mm且后續(xù)變化量減小，表明此時錨桿支護起到主動圍護作用。施工至6月18日，第二道錨桿施工完畢，此時水平位移變化量達到第三個區(qū)域峰值-6mm且后續(xù)變化量減小，表明此時錨桿起到主動圍護作用。按照施工進度，7月為基坑清槽、墊層及抗浮錨桿施工階段?？梢姡S著施工進度的推進，基坑底板逐漸澆筑封底，基坑水平位移值逐漸趨于穩(wěn)定，說明樁錨支護與土釘支護兩種支護結(jié)構(gòu)對基坑坑頂水平位移的控制起到良好的效果［10］。

3數(shù)值模擬分析

3.1模型及邊界條件

為進一步驗證該支護方案的可行性，選擇基坑開挖區(qū)域標準段建立基坑模型，基坑長約為152.7m，寬約為136m，深度約為12.5m。各土層之間力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜且具有較大差異性，根據(jù)圣維南原理，模型的平面尺寸參數(shù)取基坑開挖深度的3~5倍，模型尺寸選為500m×500m×100m，運用MIDASGTS軟件建立基坑的三維地質(zhì)模型，共劃分36292個單元，17503個節(jié)點。開挖段土層依據(jù)土層設(shè)計參數(shù)劃分為6層，各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。假設(shè)土體處于均勻分布狀態(tài)且不考慮地下水滲流的影響。為便于分析模型計算時應(yīng)力變化規(guī)律，對基坑開挖階段設(shè)置以下幾個工況［11］，如表2所示。

3.2基坑豎向位移分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進行六步開挖，對基坑的位移變化進行分析?；娱_挖完畢后縱向沉降最大值約為25.3mm，左側(cè)坡頂中部邊坡平均變形為25.0mm，第二道錨桿對左側(cè)坡頂位移產(chǎn)生了較好的約束作用，基坑右側(cè)坡頂中部位置變形最大，最大值為25.5mm，右側(cè)坡頂長邊中部邊坡平均變形為25.0mm?？v向切片剖面內(nèi)部最大值兩側(cè)分別為25.5mm、25.1mm，左側(cè)內(nèi)部變形小于右側(cè)內(nèi)部變形，基坑左側(cè)錨桿的增加降低了基坑內(nèi)部變形。選取建模區(qū)域內(nèi)豎向位移監(jiān)測點CN1，將監(jiān)測值和模擬值在不同工況下的變化曲線對比分析，如圖7所示。分析可知，因在監(jiān)測前現(xiàn)場已對周邊建筑進行提前加固處理，所以基坑周邊建筑物沉降實測值都小于模擬變形值［12］，最小為1.0mm，最大為6.0mm，差值不大，數(shù)值模擬結(jié)果可以較好地反映基坑沉降變形；基坑陽角處為最不利位置，因施工過程中及時加固，樁頂沉降實測值均小于模擬變形值，差值變化較均勻，平均值為3.0mm，數(shù)值模擬結(jié)果可以較好地反映樁頂?shù)某两底冃?；實際監(jiān)測值最大位移與模擬值最大位移均未超過預(yù)警值，表明開挖過程中支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

3.3基坑水平位移分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進行六步開挖，對基坑的位移變化進行分析?；娱_挖完畢后北側(cè)變形最大值為約19.2mm，北側(cè)坡頂長邊中部邊坡平均變形為19.0mm，第二道錨桿對北側(cè)坡頂位移產(chǎn)生了較好約束作用，基坑南側(cè)坡頂中間位置變形最大，最大值為17.9mm，南側(cè)坡頂長邊中部邊坡平均變形為17.0mm。Y方向切片剖面內(nèi)部最大值兩側(cè)分別為19.2mm、17.9mm，南側(cè)內(nèi)部變形小于北側(cè)內(nèi)部變形，基坑南側(cè)錨桿的增加降低了基坑內(nèi)部變形。選取建模區(qū)域內(nèi)水平位移監(jiān)測點CN2，將監(jiān)測值和模擬值在不同工況下的變化曲線對比分析，如圖8所示。通過分析可知，基坑北側(cè)狹陽角位置為基坑最不利位置，因施工過程中加固及時，所以樁頂沉降實測值略大于模擬變形值，差值變化較均勻，平均值為3.0mm，數(shù)值模擬結(jié)果可以較好地反映樁頂?shù)乃阶冃?；模擬值很好地反映了實際監(jiān)測值的變化，整體趨勢與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢大致相似，隨著基坑開挖的進行，坑頂水平位移變化幅度較大，支護墻頂位置向著基坑內(nèi)產(chǎn)生緩慢水平移動；土層繼續(xù)開挖，直至工況6第二道錨桿施工完畢，水平位移逐漸降低并趨于穩(wěn)定。二者均未超過預(yù)警值，基坑開挖過程處于安全狀態(tài)。綜合模擬結(jié)果可得，模擬值和監(jiān)測實測值相差不大，均在合理范圍之內(nèi)?？刹扇?shù)值方法在施工前對基坑開挖過程進行模擬，以獲得更好的數(shù)據(jù)分析。

4結(jié)語

本文依托濰坊市站南廣場基坑工程，針對城市復(fù)雜環(huán)境下建筑深基坑頂部豎向沉降和水平位移進行實時監(jiān)測，并通過FLAC3D有限元軟件對基坑開挖過程進行了數(shù)值模擬對比分析，總結(jié)了該地區(qū)基坑開挖變形規(guī)律，主要結(jié)論如下：（1）深基坑沉降最大值21mm、水平位移最大值21.4mm，均未超過設(shè)計預(yù)警值，在土方開挖期間沉降和水平位移變化較大，隨著墊層以及抗浮錨桿的施工完畢，變形得到了有效控制，沉降及水平位移值逐漸降低并趨于穩(wěn)定。（2）深基坑沉降以及水平位移值均在控制范圍內(nèi)，不僅與基坑周邊建筑環(huán)境有關(guān)，還跟圍護結(jié)構(gòu)的布置進度有密切關(guān)系，樁錨支護與土釘支護兩種支護結(jié)構(gòu)以及墊層抗浮錨桿的布置對基坑坑頂水平位移的控制有良好的效果。（3）深基坑豎向位移以及水平位移監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析得出，由于邊界條件等因素影響，兩者數(shù)據(jù)在數(shù)值上并不完全一致，但總體變化趨勢大致相同，表明了數(shù)值模擬軟件在基坑工程中的應(yīng)用具有一定的可靠性。

作者:孫若翔 單位:中國鐵建投資集團有限公司