天津融創(chuàng)廣場基坑工程監(jiān)測及數(shù)值模擬分析

陸培毅，李金清，雷華陽，陳志明

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

天津融創(chuàng)廣場基坑工程監(jiān)測及數(shù)值模擬分析

陸培毅1,2，李金清1，雷華陽1,2，陳志明1

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072)

針對天津融創(chuàng)廣場基坑開挖工程，建立了考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用的三維有限元模型，計算得到了支護結(jié)構(gòu)及支撐系統(tǒng)的變形和內(nèi)力值．通過與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，使計算模型及分析方法得到了驗證．分析結(jié)果表明：對于本工程具有深淺坑并存、平面形狀復(fù)雜、采用多種支護形式的基坑，具有明顯的空間效應(yīng)，簡單地采用彈性抗力法或平面有限元分析方法不能得到正確的分析結(jié)果，三維空間的有限元分析十分必要．

基坑；環(huán)梁支護體系；監(jiān)測；空間效應(yīng)；數(shù)值模擬

近年來，隨著經(jīng)濟的快速增長和城市規(guī)模的不斷擴大，城市建設(shè)迅猛發(fā)展．高層建筑地下室、地鐵、隧道、地下建筑等建設(shè)，出現(xiàn)了許多超深、大型基坑[1]．這些基坑工程多位于城市中心，所以采用正確的計算方法估算基坑圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形以及對周圍環(huán)境的影響具有重大的經(jīng)濟和社會效益．

基坑支護計算涉及土與支護結(jié)構(gòu)、支護結(jié)構(gòu)與支撐系統(tǒng)相互作用．雖然目前的計算方法很多，但工程實測數(shù)據(jù)對計算方法的驗證及參數(shù)的反演分析仍是至關(guān)重要的．

筆者以天津融創(chuàng)廣場基坑工程為背景，利用有限元程序建立考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用的三維數(shù)值模型，對基坑開挖引起的支護結(jié)構(gòu)變形進行了分析研究．在對比實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，驗證了分析方法的可靠性，為今后軟土地基上基坑工程的數(shù)值分析提供參考．

1 工程概況

1.1 工程簡介

天津市融創(chuàng)廣場位于和平區(qū)西康路與營口道交叉口，所處地段為城區(qū)中心區(qū)域，四周是已建成的商業(yè)及住宅樓．工程一期為高層住宅樓，分為1號樓和2號樓，其中1號樓基坑開挖深度為5.2,m，2號樓基坑開挖深度為7.8,m．一期工程基坑平面尺寸為80,m×43,m．根據(jù)勘察報告，該場地土層分布復(fù)雜，在埋深17,m范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分7個亞層，各層土體的基本參數(shù)如表1所示．

表1 地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值Tab.1 Values of mechanical parameters of strata

1.2 基坑開挖支護方案

圖1 冠梁水平位移及支撐內(nèi)力監(jiān)測點布置Fig.1 Horizontal displacement of top beam and the inter-Fig.1 nal force of bracing’s monitoring point arrangement

該工程淺坑開挖深度雖只有5.2,m，因施工場地狹窄，基坑周圍緊鄰道路及住宅，采用懸臂鉆孔灌注樁支護加水泥攪拌樁止水；深坑開挖深度為7.8,m，采用鉆孔灌注樁支護加一道鋼筋混凝土支撐，并加水泥攪拌樁止水．基坑?xùn)|側(cè)由于場地開闊，不設(shè)支護，放坡至淺坑坑底．淺基坑的支護樁樁徑1,m，間距1.3,m，插入基坑地面以下8.2,m；深基坑的支護樁樁徑1,m，間距1.2,m，插入基坑地面以下9,m，支撐設(shè)在地表下2.5,m即樁頂位置．支護樁、冠梁及支撐的混凝土強度等級均為C25．

1.3 基坑支護監(jiān)測方案

監(jiān)測項目包括冠梁的水平位移、支護樁傾斜、支撐內(nèi)力、基坑內(nèi)外地下水位、基坑周圍土體及原有建筑物、道路的沉降．

冠梁主結(jié)構(gòu)上按設(shè)計要求每隔12,m布設(shè)1個監(jiān)測點，一期共布設(shè)了14個監(jiān)測點，如圖1所示．支護樁傾斜變形監(jiān)測采用直徑Φ70測斜管，沿樁長方向通長埋設(shè)，共計5個監(jiān)測點，如圖2所示．

圖2 基坑圍護結(jié)構(gòu)及測斜點布置平面Fig.2 Plan of pit support system and arrangement of moni- toring points

2 有限元計算模型

有限元計算采用ABAQUS軟件，計算模型選用整體三維非線性水土合算有限元模型．在ABAQUS中對土體采用八節(jié)點線性六面體縮減積分單元C3D8R，采用S4R殼單元離散鋼筋混凝土排樁墻(鋼筋混凝土排樁墻按照抗彎剛度等效為地下連續(xù)墻)，采用B31梁單元離散支撐桿件．圍護結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸采用面-面接觸模型來模擬．整個模型的尺寸為135,m×98,m×17,m，整體有限元模型如圖3所示．

圖3 開挖后的整體有限元網(wǎng)格Fig.3 Overall finite element mesh after excavation

2.1 模型參數(shù)的選取

通過對土體不同本構(gòu)關(guān)系的比較分析，土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，實際的開挖過程是短期的，土層的透水性差，抗剪強度指標(biāo)采用固結(jié)快剪試驗結(jié)果，各力學(xué)參數(shù)按照表1選取．本工程的場地土基本上為黏土，剪脹角很小，分析時將所有土層的剪脹角均設(shè)為零[1-2]．

為了保證計算的收斂，把所有的鋼筋混凝土排樁墻等效為地下連續(xù)墻[3]，由Φ1000,@,1300的排樁計算得到墻的厚度為0.77,m，不考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的精細(xì)建模，而視其為整體，把鋼筋按剛度等效為混凝土．考慮到實際施工中工程質(zhì)量和混凝土微裂縫工作情況，在實際計算時彈性模量取為標(biāo)準(zhǔn)值乘以折減系數(shù)0.8[4]．灌注樁和支撐所用的混凝土均為C25，故其彈性模量取為22.4,GPa，泊松比取為0.17．

2.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量與有限元分析的精度密切相關(guān)，有限元網(wǎng)格越密，計算精度會相應(yīng)提高，但計算時間也會大大增加．一般而言，在應(yīng)力集中的區(qū)域、重要的區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)適當(dāng)加密．就基坑問題而言，在圍護結(jié)構(gòu)與土體接觸處往往會有較大的應(yīng)力梯度，因此，在圍護結(jié)構(gòu)附近的區(qū)域網(wǎng)格應(yīng)加密．本工程模型，圍護結(jié)構(gòu)處單元尺寸取為1.5,m，模型邊緣處單元尺寸取為5,m，這之間單元尺寸逐漸過渡．

從理論上講，側(cè)向邊界越大，分析結(jié)果越合理，但是這也會使單元量增加而使得分析時間更長．根據(jù)Ou等[5]的研究認(rèn)為，若為分析圍護結(jié)構(gòu)的變形，則側(cè)向邊界應(yīng)至少放置在墻后3倍的開挖深度之外．本模型的側(cè)向邊界即取在墻后3倍的開挖深度．模型底面及四周表面均施加沿法線方向的約束．

2.3 施工動態(tài)模擬

由于本工程的基坑支護結(jié)構(gòu)平面布置不對稱，深淺坑并存，建模時取其全部加以考慮，局部做了簡化處理．施工過程按3個工況模擬：第1工況為開挖到圍護樁頂；第2工況為開挖到淺坑底部；第3工況為開挖到深坑底部．通過ABAQUS“生死”單元的功能來模擬，在不同的施工階段逐步殺死土體單元和激活相應(yīng)的支護結(jié)構(gòu)單元．

2.4 接觸狀態(tài)模擬

由于土體和混凝土的變形模量有很大的差異，為了模擬圍護結(jié)構(gòu)與土體之間的共同作用，必須考慮兩者之間的接觸．本模型中采用ABAQUS中的面-面接觸法，在土體與圍護結(jié)構(gòu)之間建立接觸對．接觸屬性設(shè)置包括2個部分：接觸面之間的法向作用和切向作用．法向作用采用硬接觸，其含義是接觸面之間可以傳遞的接觸壓力的大小不受限制，當(dāng)接觸壓力變?yōu)榱慊蜇?fù)值時，2個接觸面分離；切向作用采用庫倫摩擦模型，即使用摩擦系數(shù)來表示接觸面之間的摩擦特性，摩擦系數(shù)取為0.2．

3 計算結(jié)果分析

本模型的單元總數(shù)為21,769，節(jié)點總數(shù)為24,905．

3.1 支護樁的側(cè)移

3.1.1 計算結(jié)果分析

圖4為圍護結(jié)構(gòu)位移放大后的空間分布云圖．由圖中可見，基坑角點處圍護結(jié)構(gòu)的水平位移明顯較其他地方小，且整個圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移發(fā)生在懸臂支護樁的樁頂．

圖4 圍護結(jié)構(gòu)水平位移空間分布Fig.4 Space division of the support system’s horizontal displacement

圖5 給出了測斜點CX1、CX2、CX3、CX4和CX5的計算值．由圖可見：在淺坑處，由于采用的是鉆孔灌注樁懸臂支護，在各個工況下圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移均在支護樁樁頂，且隨著開挖的進行，樁頂水平位移不斷增加，整個支護樁變形的曲線類似一個倒三角形，這與已有的經(jīng)驗相符合．

由于CX1和CX2所處的位置相對稱，所以這2個測點的側(cè)移曲線基本相同．由于CX3所處位置靠近支撐，故樁頂?shù)乃轿灰泼黠@減小，約減小了5,mm，但整個變形曲線仍然是上大下小的形式．

由于第3工況開挖的是深坑部分的土體，對淺坑部分影響較小，所以CX1、CX2和CX3點的側(cè)移曲線在第3工況開挖后基本沒有變化．

在深坑處，從CX4和CX5的變形曲線可知，在第1工況開挖時，支護樁的側(cè)移曲線與淺坑處相同，可是當(dāng)?shù)?工況開挖時，由于在樁頂處添加了環(huán)形支撐，樁頂?shù)乃轿灰频玫搅擞行У目刂?，最大水平位移出現(xiàn)在了開挖面附近．在第3工況開挖后，最大水平位移的位置隨之下移到了新的開挖面附近，支護樁的變形曲線呈現(xiàn)出弓形分布，這與已有的單點支撐下圍護結(jié)構(gòu)的變形曲線的經(jīng)驗是相符合的．

圖5 支護樁測斜點CX1、CX2、CX3、CX4和CX5的計算值Fig.5 Horizontal displacements of bearing piles at CX1，CX2，CX3，CX4，CX5

對比CX4和CX5的變形曲線可以發(fā)現(xiàn)，在第3工況開挖后，CX5處樁頂?shù)乃轿灰茙缀鯖]有增長，圍護結(jié)構(gòu)向內(nèi)突的現(xiàn)象十分明顯．而在CX4處，在第3工況開挖完成后，樁頂?shù)乃轿灰朴辛艘欢ㄔ鲩L，整個圍護結(jié)構(gòu)向內(nèi)突的現(xiàn)象也沒有CX5處明顯．分析以上現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，筆者認(rèn)為由于采用的是環(huán)形支撐，從支撐的布置上看，CX4處支撐的作用明顯沒有CX5處強，所以不能有效控制住樁頂位移．

綜合以上分析，可以發(fā)現(xiàn)由于本基坑工程存在多種支護形式、基坑開挖深度不一致以及采用了環(huán)形支撐形式，圍護結(jié)構(gòu)的變形具有十分顯著的空間效應(yīng)，簡單地采用彈性抗力法或平面有限元分析方法不能得到正確的分析結(jié)果，十分有必要對其進行三維空間的有限元分析．

3.1.2 計算值與實測值對比

圖6所示為開挖完成后測斜點CX2和測斜點CX4處計算值與實測值的對比結(jié)果．由圖可知，計算值和實測值吻合得較好，說明本模型的計算精度是可以接受的．但坑底以下圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)移計算值往往較實測值平均偏大10%～40%，分析其原因，可認(rèn)為是模型中沒有考慮工程樁的緣故．本工程基礎(chǔ)采用的是鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，共有Φ600和Φ500兩種樁．其中Φ600樁長為23,m，Φ500樁長為22.5,m．且在基坑開挖以前工程樁就已經(jīng)施工完畢，工程樁對坑底以下土體有加強的作用，可以限制坑底以下土體回彈和側(cè)移[6]，但本模型計算中沒有考慮這一有利的因素．

圖6 支護樁測斜點CX2和CX4處側(cè)移計算值與實測值對比Fig.6 Comparison of calculated and measured value of horizontal displacements of bearing piles at CX2 and CX4

3.2 支護樁頂冠梁的水平位移

圖7為支護樁樁頂冠梁各個測點在不同工況下的水平位移，其中冠梁的水平位移以向坑內(nèi)為正．由圖可知，冠梁的水平位移具有明顯的空間效應(yīng)，在懸臂支護部分，坑角效應(yīng)非常顯著．在坑角處由于有另外一個方向的土體提供了約束作用，冠梁的水平位移較小，離開坑角，冠梁的水平位移逐漸增大，大約與坑角的距離達(dá)到2倍的開挖深度時，支護樁頂冠梁的水平位移達(dá)到了最大值，這說明坑角效應(yīng)的影響范圍大致是2倍的開挖深度[7-8]．

3.3 支撐的軸力

本工程數(shù)值模擬得到支撐的最大軸力為2,966 kN，發(fā)生在環(huán)梁中部，實測支撐的最大軸力為4,568,kN，也是發(fā)生在環(huán)梁的中部．兩者相比較，實測值是計算值的大約1.5倍．實際工程中影響鋼筋混凝土支撐軸力的因素很多，有側(cè)向荷載(包括水土壓力、地面超載)、豎向荷載的偏心、混凝土的收縮和徐變、溫度變化、立柱的隆起或沉降等．而且有限元計算得到的應(yīng)力值是通過變形值推導(dǎo)得到的，所以有限元計算得到的變形值往往比較準(zhǔn)確，而應(yīng)力值則有可能存在較大的誤差．

圖7 支護樁頂冠梁在各個工況下的水平位移Fig.7 Horizontal displacements of top beam of bearing piles Fig.7 in various conditions

4 結(jié) 論

(1) 對多種支護形式、深淺坑并存的基坑，采用了環(huán)形支撐形式，圍護結(jié)構(gòu)具有顯著的空間效應(yīng)，不可能選出一個典型的斷面來表示圍護結(jié)構(gòu)的變形，簡單采用彈性抗力法或平面有限元分析方法不能得到正確的分析結(jié)果．

(2) 在懸臂支護部分，坑角效應(yīng)非常顯著．坑角效應(yīng)的影響范圍大致是2倍的開挖深度．

(3) 由于工程樁的存在，坑底以下圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)移計算值往往較實測值平均偏大10%～40%．

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Monitoring and Numerical Simulation of Foundation Pit for Rongchuang Square in Tianjin

LU Pei-yi1,2，LI Jin-qing1，LEI Hua-yang1,2，CHEN Zhi-ming1
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Three-dimensional finite element module considering the soil-structure interaction was used in the analysis of a foundation pit for Rongchuang square in Tianjin. Through analysis，the internal forces and deformations of retaining structure and support system were gained. By comparing the theoretical analysis results with the field monitoring data，the calculating module and method of analysis were verified. Results show that for the pit with both shallow and deep pits，complex shape，and multi-retaining system，space effects are more apparent. Correct results could not be obtained if simply the elastic-reaction method and plane FEM were used. It’s very necessary to use threedimensional finite element method.

foundation pit；ring beam bracing system；monitoring；space effect；numerical simulation

TU46

A

0493-2137(2011)07-0582-05

2010-10-13；

2010-12-14.

陸培毅（1962— ），女，博士，教授.

陸培毅，tjulpy@sina.com.