天津市某醫(yī)院深基坑工程變形特性及預(yù)測研究

郭抗美，陳亞楠

( 河北工業(yè)大學土木與交通學院，天津 300401)

伴隨城市建設(shè)的發(fā)展，三維城市空間開發(fā)的要求日益提高，基坑工程的數(shù)量也隨之顯著增加，與此同時基坑工程的深度逐漸向更深更復(fù)雜[1]的方向發(fā)展?；庸こ淌桥R時性結(jié)構(gòu)擁有不同于其他結(jié)構(gòu)的特殊性，隨著基坑開挖深度的增加，對于基坑工程的設(shè)計、施工、監(jiān)測及理論研究應(yīng)更加重視[2]。當基坑土體開挖進行時，基坑土體在一定范圍內(nèi)受到擾動[3]，導致土層應(yīng)力發(fā)生變化，進而影響基坑圍護結(jié)構(gòu)、周邊地表及附近建筑物甚至降低建筑物安全性[4]，監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展對指導施工提供依據(jù)[5]。目前，關(guān)于深基坑變形特性方面的研究已有大量報道。研究表明開挖變形是多種因素共同作用，數(shù)值模擬可以有效地解決該類問題[6],數(shù)值模擬的關(guān)鍵在于對本構(gòu)模型[7]的選取。楊宏等[8]利用有限差分軟件對基坑開挖進行仿真分析，得出圍護結(jié)構(gòu)變形特性及基坑內(nèi)外土體豎向變形規(guī)律。劉岱熹[9]利用FLAC3D數(shù)值模擬分析表明,圍護樁變形最大的位置位于基坑開挖部分的中下部，最大水平位移發(fā)生在樁頂。陳小巍[10]依托實際工程結(jié)合理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬等方法，發(fā)現(xiàn)內(nèi)支撐的設(shè)置對支護墻水平位移及基坑周圍地表沉降有明顯減小作用。王曉楠等[11]對基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形存在問題進行了探討，并提出今后發(fā)展方向。

基于此，以特殊工程地質(zhì)條件的天津市某醫(yī)院大尺度深基坑為研究對象，對該醫(yī)院深基坑土方移除卸荷過程所得觀測結(jié)果進行分析，并利用有限差分軟件對基坑開挖全過程進行仿真模擬研究，結(jié)合實際觀測與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，分析該基坑開挖變形特性，得到預(yù)測最大側(cè)向位移的公式，并驗證其合理性以期為日后類似基坑工程的可靠性設(shè)計和安全開挖提供參考依據(jù)。

1 工程概況

擬建物位于天津市濱海新區(qū)，主體結(jié)構(gòu)高度約為22 m的急診樓及10 m基礎(chǔ)埋深的地下車庫，基坑兩側(cè)分別為一棟三層、六層建筑物，建筑物人口密集、環(huán)境復(fù)雜。實際基坑的大小取為長邊125.4 m,短邊為100.6 m，基坑近似為一個正方形。天津市大尺度深基坑工程開挖深度為10.9 m,現(xiàn)場地坪標高約為建筑標高-1.00 m。

2 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計與監(jiān)測方案

支護形式為鉆孔灌注樁加混凝土內(nèi)支撐，止水帷幕采用深層水泥土攪拌樁?；又ёo結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Section drawing of foundation pit supporting structure

為確保基坑工程施工安全，在深基坑施工過程中采取科學有效的監(jiān)測方案。根據(jù)文獻[12]對深基坑進行合理監(jiān)測，監(jiān)測項目和測點布置如表1所示。

3 深基坑工程數(shù)值模擬

3.1 材料的本構(gòu)模型

數(shù)值模擬時盡可能建立合理模型并得出可靠結(jié)論，在選擇本構(gòu)模型時應(yīng)著重考慮與材料力學特性契合度較為貼切的本構(gòu)模型，應(yīng)用FLAC 3D中Null實現(xiàn)土方開挖過程的模擬實況，土體使用實體單元摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模擬土體的變化，模擬時土體介質(zhì)材料通過相應(yīng)的對比分析選擇非線性、彈塑性介質(zhì)材料，并在此基礎(chǔ)上得出可靠結(jié)論。

表1 監(jiān)測項目和測點布置Table 1 Monitoring items and point layout

3.2 深基坑數(shù)值模擬

3.2.1 模型參數(shù)與邊界條件

根據(jù)天津市該深基坑巖土工程勘察報告所提供的范圍內(nèi)相應(yīng)土層參數(shù)，將土體進行簡化劃分，如表2所示。

表2 土體物理力學參數(shù)Table 2 Soil physical and mechanical parameters

對于天津市該深基坑模型所取邊界條件：地表位置未施加約束，模型底部則采用固接的方式[13]。

3.2.2 模擬工況

擬建物深基坑采取分層開挖方式，工況步驟如下。

(1)工況1(5月19日—6月3日)：在該工況下應(yīng)用零模型模擬基坑工程的實際開挖，開挖深度至-2.60 m。

(2)工況2(6月3日—7月31日)：在工況一的基礎(chǔ)上即開挖完成后施作混凝土內(nèi)支撐。

(3)工況3、4(7月31日—9月27日)：繼續(xù)開挖5.55 m；此后施作第二道混凝土內(nèi)支撐以及腰梁。

(4)工況5(9月27日—10月29日)：應(yīng)用空模型繼續(xù)開挖3.75 m直至基坑設(shè)計標高。

為計算與模擬方便進行，在進行建模與計算時不考慮基坑開挖的時間，將基坑開挖過程等價為瞬時活動。

3.2.3 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

基坑所采用的圍護樁為鉆孔灌注樁，樁體直徑為1.0 m,樁間距為1.2 m,具體的計算參數(shù)如表3所示。深基坑工程中止水帷幕的主要參數(shù)如表4所示。

表3 排樁主要計算參數(shù)Table 3 Main calculation parameters of pile row

表4 止水帷幕主要計算參數(shù)Table 4 Main calculation parameters of water curtain

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 樁頂水平位移監(jiān)測

圍護樁各監(jiān)測點中水平方向的位移是判別圍護結(jié)構(gòu)安全狀況是否合乎要求的準則之一，且其受基坑開挖支護過程中多種因素影響如基坑在實際工程中的施工順序、施工時采用相應(yīng)的工藝所產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)選取監(jiān)測點中5個具有一定程度特點并包含中部、陽角特殊點位監(jiān)測點，測點編號分別為WY1、WY4、WY7、WY9、WY11的各工況下樁頂水平位移變化如圖2所示[14]。

圖2 樁頂水平位移變化Fig.2 Horizontal displacement of pile top

向基坑內(nèi)位移為正，基坑外位移為負。在天津市該深基坑進行開挖的過程中，基坑內(nèi)土體逐步卸荷，導致基坑內(nèi)外產(chǎn)生土壓力差，使基坑發(fā)生一定程度的偏移。由圖2可知，基坑工程樁頂水平位移變化趨勢整體呈上升狀態(tài)，在三次開挖進行時均出現(xiàn)折點，因樁頂水平位移的變化受到內(nèi)支撐施加的影響，觀察水平位移曲線可得基坑施作內(nèi)支撐后位移量趨于穩(wěn)定狀態(tài)或減小，第二次開挖后曲線呈現(xiàn)與第一次開挖相同的變化趨勢，在第三次開挖時各個監(jiān)測點水平位移增長速率最大，增長最快的測點為WY9，其樁頂水平位移增長速率為0.13 mm/d,在整個基坑開挖工作完成時，其最大樁頂水平位移值為9.12 m。圖像所示樁頂水平位移的最大值為4～9.5 mm上下浮動，造成該現(xiàn)象的原因是位于不同部位的不同測點施工條件不盡相同。測點1、測點4、測點7經(jīng)過測量產(chǎn)生的最大樁頂水平位移值較其他相比最為突出，造成該現(xiàn)象的原因為基坑周邊主動區(qū)土體在開挖卸荷后于水平方向產(chǎn)生的效果較為明顯。

4.2 土體深層水平位移監(jiān)測

在測斜管間隔0.5 m取一點觀測其深層水平位移變化，并選取具有一定代表性測點CX1，將監(jiān)測所得數(shù)據(jù)進行整理與分析得到深度-位移變化關(guān)系的曲線圖，如圖3所示。

圖3 測點CX1深度-位移變化曲線Fig.3 Measuring point CX1 depth-displacement curve

該深基坑工程在完成第一次開挖后因基坑內(nèi)土體的部分移除，導致基坑內(nèi)土體各點的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，土體的深層水平位移變化的特征表現(xiàn)為基坑頂部及底部變化較小中間部位變化較為明顯的 “鼓肚”型，當施作第一道混凝土內(nèi)支撐后，深度-位移曲線呈現(xiàn)較大的變化，與工況一相比未施加支撐時變化曲線較為穩(wěn)定而施加支撐后呈現(xiàn)中部明顯增大的變化趨勢，產(chǎn)生此類變化的原因是靠近基坑頂部位置混凝土內(nèi)支撐的施加阻止了基坑外側(cè)主動土壓力，在該道混凝土內(nèi)支撐的作用下，相應(yīng)部位土體位移受到了內(nèi)支撐的限制，且通過觀察位移圖伴隨著深基坑開挖和支撐的施作，最大水平位移發(fā)生的部位點也隨之下移。由圖3可知，基坑第一次開挖完成是CX1處土體最大水平位移為10.2 mm,其次開挖完成時CX1處土體最大水平位移為16.8 mm，最終開挖完成時CX1處土體最大水平位移為19.8 mm，分別增長了64.7%、94.1%，說明基坑開挖對深層水平位移造成影響。

5 監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

5.1 樁頂位移模擬值與實測值的對比

圖4所示為各個監(jiān)測點在不同工況下的樁頂水平位移模擬值與現(xiàn)場實際監(jiān)測值的對比圖，由圖4可知，兩種曲線變化趨勢大致相同，變化規(guī)律基本一致。因使用FLAC 3D軟件進行理想狀態(tài)下的數(shù)值模擬，未考慮周圍建筑物的影響因此模擬值略大于實測值，兩曲線在數(shù)值上存在微小差距，說明該模型數(shù)值模擬結(jié)果較為合理。引起圍護樁頂部發(fā)生水平位移的原因：基坑進行荷載的移除時使基坑內(nèi)土體的應(yīng)力發(fā)生變化及地下水的下降引起土體變化。由于本工程未考慮地下水相關(guān)問題因此基坑開挖引起土壓力變化。在5個工況中，基坑進行3次開挖，每次開挖深度為1.6、5.55、3.75 m。對比圖4具體數(shù)據(jù)可知，工況1的開挖對監(jiān)測點4造成影響最大，監(jiān)測點位移為2 mm,第二、第三次開挖對于監(jiān)測點9引起位移變化量最為顯著，隨著開挖支護活動的進行對圍護樁頂水平位影響逐漸增大，對于水平增量并不顯著的工況說明所施加的內(nèi)支撐限制水平位移的增長。

圖4 各工況下圍護樁頂水平位移實測值與模擬值對比Fig.4 Comparison of measured and simulated horizontal displacement of pile top under various working conditions

5.2 圍護結(jié)構(gòu)變形對比

由5種工況下圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形模擬結(jié)果可知，在基坑的開挖與施作圍護結(jié)構(gòu)過程中，圍護結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的位移。選取具有代表性的監(jiān)測點CX04及CX09在工況3及工況5兩種情況下深層水平位移實測值與模擬值進行對比分析，對比結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，對于不同監(jiān)測點在不同工況下實測值與模擬值的曲線趨勢基本一致，整體曲線呈弓字形，在數(shù)值上略有不同。當基坑開挖至8.15m和11.9 m時，深度為8 m上下的深層水平位移實測值與模擬值均達到峰值，在開挖至11.9 m時深度為8 m的實測值超過模擬值，深度為9～12 m處實測曲線呈現(xiàn)明顯減小的趨勢，而模擬值始終處于平緩下降趨勢。對于工況3即開挖深度為8.15 m兩監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬值均較實測值偏大，造成該現(xiàn)象的原因可能由于計算中無法考慮,人為車輛、施工機械等影響使實測和計算結(jié)果有一定程度上的偏差，但兩者在數(shù)值上相差無幾，墻深8 m左右模擬與實測均達到最大值。開挖完成時，實測值與模擬值的最大水平位移24.52、21.02 mm，與開挖深度的比值為0.225%，0.193%，兩者均在監(jiān)控量測標準的要求40 mm范圍內(nèi)。

圖5 CX04、CX09土體深層水平位移值對比曲線Fig.5 Comparison curve of deep horizontal displacement of CX04、CX09 soil mass

工程進行分析時雖忽略水的影響及時空效應(yīng)對基坑周圍土體以及圍護結(jié)構(gòu)變形的影響，但模擬值與實測值較為貼切，呈現(xiàn)出變化規(guī)律貼合實際情況，能夠真實地反映出基坑開挖支護過程中的變化規(guī)律與特性，說明該深基坑工程數(shù)值模擬使可行的，可以進行指導類似基坑工程施工。

5.3 土體深層水平位移預(yù)測

通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)，根據(jù)開挖深度、最大沉降與最大側(cè)移的相關(guān)關(guān)系，擬定側(cè)移曲線預(yù)測方法，適用于開挖深度較大黏性土深基坑。

已知深基坑開挖深度H(單位：m)與最大沉降量，由式(1)推測最大側(cè)移值。

(1)

式(1)中：δvm為最大沉降值；δhm1為基于開挖深度H計算所得最大側(cè)移值,mm；δhm2為基于δvm計算所得最大側(cè)移值,mm；M為經(jīng)驗系數(shù)，取3.39 mm/m；N為經(jīng)驗系數(shù)，取1.43；δhm為綜合δhm1與δhm2的最大側(cè)移預(yù)測值,mm;λ1、λ2為相關(guān)系數(shù)[15]，且兩者之和為1，取λ1=0.45,λ2=0.55。

取CX04、CX09兩個監(jiān)測點在不同工況下的深層位移曲線與理論計算值進行對比如圖6所示。

圖6 不同工況下位移值對比Fig.6 Comparison of displacement values under different working

由圖6可知，在測點CX04及CX09處最大側(cè)移值在工況3與工況5兩種工況下，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)、軟件模擬數(shù)據(jù)和公式計算所得數(shù)據(jù)進行對比分析，可知理論值較實測值和模擬值除工況3中CX04外有一定吻合度，結(jié)果可作一定參考，最大漲幅41.1%，最小漲幅2.16%，肯定了預(yù)測最大側(cè)向位移公式的合理性，對以后工程實際預(yù)測最大側(cè)向位移有指導意義。

6 結(jié)論

對天津市某醫(yī)院深基坑工程變形模擬與監(jiān)測資料進行分析，對該基坑的變形過程及分析情況有了較為全面的了解，表明模型的建立、本構(gòu)關(guān)系的選擇及參數(shù)的選取是合理的，為分析天津市軟土地區(qū)的基坑變形提供了重要的依據(jù)，現(xiàn)將研究的結(jié)論分述如下。

(1)將變形模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，對該基坑的變形過程況有了較為全面的了解，表明模型的建立、本構(gòu)關(guān)系的選擇及參數(shù)的選取是合理的，模擬研究是切實可行的，根據(jù)模擬所得到的結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果大致相符，滿足工程要求，為天津市軟土地區(qū)的地基變形提供了重要的依據(jù)。

(2)樁頂位移值的準確監(jiān)測可以及時的反映基坑在開挖支護過程中圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變形，并在基坑變形較為明顯或變形值到達預(yù)警值時有直觀的反饋確?；庸こ痰陌踩?。本基坑樁頂水平位移最大值8.79 mm，在合理監(jiān)測范圍內(nèi)，因此該基坑在開挖支護過程中是安全、可靠的。

(3)隨著開挖工作的一步步深入進行，本工程基坑內(nèi)土體的位移隨著深度增加，并且在一定的工況下?lián)碛写笾孪嗤纳顚游灰谱兓厔荨?/p>

(4)隨著基坑開挖支護工作的進行，沿基坑深度水平位移值發(fā)生變化移動?；拥淖畲髠?cè)移值21.21、24.52 mm，對于呈現(xiàn)出的最大側(cè)移值滿足基坑變形控制標準的要求，說明所選取的支護結(jié)構(gòu)等措施可以較好地控制基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形；由理論計算可知理論值較實測值和模擬值偏大，最大漲幅41.1%，最小漲幅2.16%，得出預(yù)測最大側(cè)向位移公式的合理性，對以后工程實際預(yù)測最大側(cè)向位移有指導意義。

(5)對于數(shù)值模擬方法，雖在一定程度上可以模擬真實的施工環(huán)境與施工條件，但真實環(huán)境受到的影響因素往往是難以準確估量的，因此在進行數(shù)值模擬時模擬參數(shù)與實際工程的種種條件存在差異，不可能完全相符，理論模型往往得到的結(jié)果是理想化的只能作為實際工程的參考，最終的規(guī)律結(jié)果還是要以實際工程作為主要參考依據(jù)，在兩者相互考慮結(jié)合的情況下，對未知的工程進行預(yù)測及研究，以達到解決未來不同情況下的不同問題。