基于現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬的填埋基坑變形特征研究

鄭 華

（溫州理工學(xué)院，浙江 溫州325000）

0 引 言

近幾十年來，隨著我國城市化進程快速推進，基坑工程越來越普遍，深基坑工程也向著場地情況更復(fù)雜的方向探索。我國基坑的理論研究已經(jīng)日趨完善，但是近幾年來，隨著國家轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，為了響應(yīng)國家號召，一大批傳統(tǒng)行業(yè)開始調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式，隨之衍生了一批填埋基坑工程，對基坑施工條件與限制也更加嚴(yán)格，對基坑工程的變形控制也提出了新的要求。由于填埋土的存在，使得深基坑工程變得更為復(fù)雜，為深基坑工程增加了新的難題和新的挑戰(zhàn)，為此一些學(xué)者進行了相關(guān)研究。

Bjarngard AB 和Edgers L［1］分析了垃圾土的沉降問題。何艷平［2］對垃圾填埋土基坑的支護采取打入花管與高壓注漿相結(jié)合的方案，而且將土釘抗拔試驗得到的結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進行比較，再結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)最后認(rèn)為該支護方案達到了良好的支護效果。Kavazanjian SJ，Matasovi N 等［3］依據(jù)垃圾土初始密度以及壓縮量，得到垃圾土的重力密度隨埋深的變化而變化的關(guān)系曲線。楊光華等［4］闡述了在雜填土地質(zhì)條件下采用新型的支護方法成功的一些案例，如雙排樁支護、蓋挖法和中心島法等。魏科豐等［5］以某雜填土基坑工程為例，對該基坑采用五種支護形式進行對比，得出了對以后類似工程有參考價值的結(jié)論。張立等［6］以某回填土場地基坑為例，對基坑施工中樁錨支護的頂部水平位移、沉降以及深層的土體水平位移進行了監(jiān)測，并且詳細分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)。任俊等［7］分析了許多基坑工程事故，并且總結(jié)了雜填土基坑中的樁錨支護，對基坑工程發(fā)生事故的原因進行了詳細研究。孟云偉，汪洋［8］全面闡述了垃圾土的沉降特性、滲透性以及抗剪強度，分析了沉降模型中所取參數(shù)存在的缺點，抗剪強度參數(shù)隨時間變化而變化。

從以上前人的研究成果可知，關(guān)于填埋基坑問題的研究還處于初級階段，因此亟需對類似場地的基坑開挖與支護造成的基坑變形規(guī)律進行研究。本文以某填埋基坑工程項目為依托，采用現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，研究填埋基坑工程的各項變形規(guī)律，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來驗證數(shù)值模型，佐證數(shù)值模擬的可行性及影響場地安全穩(wěn)定性的影響要素分析。

1 工程概況

某工程基坑面積達到61 000 m2，開挖深度10.15 ～11.6 m，基坑面積大，開挖深度較深?；铀趨^(qū)域內(nèi)大量丘陵地貌分布，整體丘陵海拔較低，東部較西部較低，該區(qū)域的地震基本烈度是7度，地層巖性分布均勻且厚度相差不大，工程地質(zhì)條件良好。（見圖1）。

在本工程中，采用綜合分析法分析各種不同施工作法的優(yōu)缺點以及國內(nèi)外工程案例實踐經(jīng)驗，確定基坑場地中心島區(qū)域采用順作法；待中心島區(qū)域施工至地下一層頂板，然后順作場地基坑周邊區(qū)域，臨時支撐結(jié)合中心區(qū)域地下結(jié)構(gòu)梁板作為支撐構(gòu)件。根據(jù)具體施工情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫并根據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立動態(tài)信息反饋機制，優(yōu)化設(shè)計方案及合理安排施工順序。

2 現(xiàn)場實測

由于基坑實際施工中，施工現(xiàn)場具體施工情況和設(shè)計施工方案不可避免存在誤差，在施工過程中對于監(jiān)測項目的監(jiān)測尤為重要。在實際施工中監(jiān)測基坑變形，應(yīng)及時準(zhǔn)確收集監(jiān)測數(shù)據(jù)建立動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋機制以及監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為基坑施工提供參考，優(yōu)化設(shè)計方案，同時預(yù)測基坑變形趨勢。

本文依托填埋基坑工程，根據(jù)設(shè)計方案及實際情況，選定最終的監(jiān)測內(nèi)容，最后由獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析該工程的變形特征。本場地工程基坑監(jiān)測項目主要有：場地基坑的周邊道路沉降、場地圍護結(jié)構(gòu)水平位移、支撐軸力監(jiān)測等，具體監(jiān)測項目及控制值（見表1）。

表1監(jiān)測項目及控制值

研究區(qū)域以基坑工程需求為出發(fā)點，遵循監(jiān)測點布置原則，分別布置沉降監(jiān)測點、測斜監(jiān)測點、支撐監(jiān)測點。同時，布設(shè)各個監(jiān)測項目的基準(zhǔn)點，做好水平對照分析，依照相關(guān)要求，按照監(jiān)測頻率收集各個項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)，匯總分析得到各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)（見圖2）。

本場地基坑工程開挖周期長，從基坑1 月19日開挖到8 月13 日最后一層土方開挖結(jié)束，歷時7個多月。在此時間周期內(nèi)，基坑的變形監(jiān)測尤為重要，不僅對工程施工以及方案調(diào)整和設(shè)計具有重要意義，而且在施工中對基坑變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立。為了把握整體施工進度和施工方案的實施情況，更好地分析設(shè)計方案的實施效果，在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)各監(jiān)測項目的監(jiān)測點，監(jiān)測基坑的變形特征變化，采用科學(xué)的監(jiān)測技術(shù)，收集各個工況時間段下，不同深度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制出變形曲線圖，分析研究區(qū)場地內(nèi)填埋基坑的變形特征。

3 數(shù)值模擬

本文基于場地特性及工程施工設(shè)計方案，利用FLAC3D 有限差分軟件，模擬計算工程模型，模擬不同工況下的場地基坑土層的開挖以及內(nèi)支撐的架設(shè)，研究模型的響應(yīng)特性以及模型變形特征，以監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的監(jiān)測數(shù)據(jù)為驗證對象，分析其模型的響應(yīng)和準(zhǔn)確性。

3.1 模型的建立

根據(jù)場地基坑開挖施工方案設(shè)計，采用選定基坑尺寸為長270 m，寬200 m，開挖面深度11.6 m，由邊界效應(yīng)，選定基坑開挖深度的2 ～3 倍為場地的影響區(qū)域，故選定模型尺寸為670 m × 500 m ×52 m。由于成拱效應(yīng)的存在，研究計算時將實際場地施工中的各種灌注樁、止水帷幕等效為連續(xù)的地下連續(xù)墻進行計算分析。本場地基坑采用直徑D=950 mm 的鉆孔灌注樁，樁間距d =1 150 m，設(shè)等效連續(xù)墻厚度為h，可由式（1）計算：

得到h=747 mm，所以把鉆孔灌注樁、止水帷幕等效為厚度750 mm 的地下連續(xù)墻進行計算。基坑模型及支護結(jié)構(gòu)模型如下所示（見圖3）。

3.2 土體參數(shù)確定

根據(jù)基坑設(shè)計方案，計算模型建立和選取的本構(gòu)模型需要的土體參數(shù)，以及勘察報告中土層的分布情況及各土層參數(shù)，選取適當(dāng)?shù)挠嬎銋?shù)。為了方便模擬計算，在模型計算中將土層劃分為4 層，各層土體參數(shù)如下所示（見表2）。

表2土體參數(shù)

基坑的圍護樁、冠梁等結(jié)構(gòu)均采用強度為C30的混凝土，等效為0.75 m厚的地下連續(xù)墻，彈性模量取30 GPa，泊松比為0.30，密度為2 500 kg/m3。而模型中地連墻已經(jīng)等效止水帷幕的作用，基坑中開挖底面是第二層粘土層為不透水層，故而本文研究過程中在基坑抽水后，不考慮滲流作用對基坑變形的影響。

3.3 模擬工況

本工程按照分布開挖支護的順序進行施工，為了模型中的整體計算分析，在模型計算中把鋼結(jié)構(gòu)的架設(shè)作為基坑分布開挖的標(biāo)志。根據(jù)設(shè)計方案，簡單分為3 個工況進行模擬計算，具體如下：

（1）工況一：施工地下連續(xù)墻，第一層開挖，開挖面值1.4 m深，在0.9 m處架設(shè)第一道鋼支撐。

（2）工況二：第二層開挖，開挖面至7.15 m深，在6.65 m處架設(shè)第二道鋼支撐。

（3）工況三：第三次開挖，開挖面至設(shè)計基底即11.6 m深。基底驗槽，驗收合格后澆筑封底。

4 模型驗證對比分析

通過基于工程場地條件、工程需要等建立的工程模型得到的模擬結(jié)果與場地基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)相互驗證分析，檢驗?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性和響應(yīng)。

4.1 地連墻水平位移對比分析

為了直觀地分析監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的差異，選取兩邊位移量最大的具有代表性監(jiān)測點（CX23和CX14）數(shù)據(jù)，繪制地連墻水平位移隨深度變化的對比曲線（見圖4）。

由圖4 可知，模擬曲線的變形趨勢與實測數(shù)據(jù)曲線變形趨勢基本相同，但是不同方向的模擬數(shù)值均比實測數(shù)據(jù)大。在X 方向上，模擬計算和實測數(shù)據(jù)最大位移值分別為222.71 mm 和201.77 mm，出現(xiàn)的位置分別為管口以下13 m 左右和11 m 處；在Y 方向上，模擬計算和實測數(shù)據(jù)最大位移值分別為53.43 mm 和34.68 mm，出現(xiàn)的位置分別為管口以下3 m 左右和2 m 處。從上述分析可知，實際監(jiān)測結(jié)果和模擬監(jiān)測結(jié)果變形趨勢相同，變相量相差不大，而模擬計算變形量比實測數(shù)據(jù)大；主要原因是隨著基坑開挖，在第一層開挖結(jié)束后支護與第二層開挖之間有很長的施工周期，對基坑有明顯的時空效應(yīng)。實際基坑施工中，有許多其他不可避免的因素，導(dǎo)致監(jiān)測也與實際位移存在誤差，同時在數(shù)值模擬計算中，模型的建立與實際還是有差別的，加上模擬中的地層參數(shù)與實際有差別，并且其開挖方式也有不同，這些一系列的問題導(dǎo)致模擬值與實際監(jiān)測值之間會存在差異。但是從位移變化趨勢可知，模擬結(jié)果可以擬合實測數(shù)據(jù)，為基坑施工以及預(yù)警提供參考。

4.2 基坑周邊地表沉降對比分析

為了更好地研究計算模型的準(zhǔn)確性和場地基坑周邊沉降的變化趨勢，選取監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中的場地基坑周邊沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與工程模型中的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果相互驗證分析，與計算模型沉降趨勢圖對比分析差異性?；映两惮F(xiàn)場監(jiān)測和模擬結(jié)果數(shù)據(jù)變化趨勢圖如下所示（見圖5）。

由圖5 可知，實測與模擬的距基坑邊緣離沉降量變化曲線趨勢接近，總體隨著距離的增加沉降量也隨之增加，但是達到10 m左右時沉降量達到最大值；此時，隨著距離的繼續(xù)增加，沉降量開始減少，到距離30 m處沉降量變得很小且逐漸穩(wěn)定，通過分析得出基坑的沉降影響區(qū)域在30 m左右，其地表沉降量最大值在距基坑邊緣10 m處。模擬和實測的沉降量最大值分別為163.97 mm和173.80 mm，實測比模擬數(shù)值大，原因是：在實際工程中，周邊地表區(qū)域施工中，各種大型機械會增加地表上的豎向荷載，場地基坑工程施工過程中，整體穩(wěn)定平衡狀態(tài)遭到破壞，造成場地的變形破壞；而模擬計算則表現(xiàn)為一種不受現(xiàn)場施工干擾的比較理想的施工狀態(tài)；因此同時在大型機械以及周圍地表建筑物的額外荷載作用下，實測得到的沉降量大于模擬得到的沉降量。

4.3 支撐軸力對比分析

以監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的軸力監(jiān)測點數(shù)據(jù)為分析對象，通過監(jiān)測軸力數(shù)據(jù)與基于工程模型模擬的支撐軸力數(shù)據(jù)相互驗證，研究施工過程中的場地軸力變化以及模型的響應(yīng)準(zhǔn)確性（見圖6）。

由圖6 可知，支撐軸力模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果的變化趨勢大致相符，但是在28 測次之后模擬計算結(jié)果開始突然增大，比實測軸力大1 000 kN左右。這是由于實測數(shù)據(jù)是根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測得到的，而在現(xiàn)場施工中，除了內(nèi)支撐架設(shè)，還有內(nèi)部借助地下室做臨時支撐，所以其實測鋼支撐的軸力比較小；而模擬計算中地下室臨時支撐沒有算在內(nèi)支撐中，所以其計算結(jié)果偏大。

4.4 基坑變形特征變化規(guī)律分析

研究區(qū)域填埋基坑在經(jīng)過分層開挖以及支護后，破壞了整體的平衡穩(wěn)定性，同時基坑的圍護結(jié)果以及周邊地表發(fā)生變形；此外，基坑支撐軸力變化也隨著基坑的開挖而發(fā)生變化，通過驗證模型的準(zhǔn)確性以及監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，可研究各項變形特征的變化規(guī)律。

4.4.1 圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

不同工況下的圍護結(jié)構(gòu)變形云圖以及支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)圖如下所示（見圖7、圖8）。通過對比分析可知，圍護結(jié)構(gòu)的變形隨著基坑開挖的進行不斷增大，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示研究區(qū)域內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)變形主要有兩種：一種是“喇叭狀”變形特征，監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬計算中的圍護結(jié)構(gòu)最大位移值出現(xiàn)位置分別為管口以下2 m 處和地連墻的上部，且二者的最大變形值接近。另一種是“紡錘狀”，監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬計算中的圍護結(jié)構(gòu)最大位移值出現(xiàn)位置分別為管口以下11 m 處和地連墻的中部，在模擬和監(jiān)測中的圍護結(jié)構(gòu)底部和基坑底部以及位置圍護結(jié)構(gòu)變形很小，而模型可以很好地驗證其變形規(guī)律。靠近內(nèi)支撐位置的圍護結(jié)構(gòu)變形通過監(jiān)測以及模型驗證，其變形規(guī)律為管口下出現(xiàn)最大值，且其變形值較小，至圍護結(jié)構(gòu)底部，其位移基本為零，屬前傾式變形模式；而處在基坑中部位置的圍護結(jié)構(gòu)變形，其監(jiān)測與模擬的最大值均出現(xiàn)在圍護中段位置，且到底部其圍護結(jié)構(gòu)變形值基本歸零，模型驗證良好，屬深埋式變形模式。

4.4.2 基坑周邊地表沉降變化規(guī)律分析

不同工況下的基坑周邊地表沉降位移云圖及監(jiān)測數(shù)據(jù)圖如下所示（見圖9、圖10）。通過對比分析可知，周邊地表沉降隨著基坑開挖的進行而不斷變化，坑底隆起也隨之發(fā)生改變。由于基坑開挖面積過大且是類正方向基坑，其坑底隆起隨著基坑土體的開挖，其隆起量由開挖初期的坑底的中部大、兩邊小，隨著基坑開挖到基底逐步演變?yōu)橹虚g小、四周大的隆起狀態(tài)，符合深大基坑的隆起變形規(guī)律。而沉降是一直隨著開挖面的降低而變化的，到開挖至基坑底部其沉降逐漸趨于穩(wěn)定，在開挖過程中，其沉降受多種因素影響，包括時空效應(yīng)、降雨、周邊荷載、二次開挖等影響。通過模型驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)得出其基坑周邊沉降與基坑開挖及距離基坑開挖邊緣距離的關(guān)系。

5 結(jié) 論

本文以某填埋基坑工程為依托工程，采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對基坑變形特征及穩(wěn)定性進行分析，根據(jù)基坑土體、支撐條件以及工程需要等條件，建立符合工程實際以及工程施工設(shè)計方案的工程模型，模擬分析不同工況下的基坑變形，分析其變形規(guī)律，進而與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的各項目監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相互驗證，分析模型的響應(yīng)準(zhǔn)確性以及場地基坑變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)基坑變形現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，隨著土方開挖，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移不斷增大，靠近支撐一邊的變形特征呈“喇叭狀”；而在基坑圍護結(jié)構(gòu)的中部位置，變形呈“紡錘形”；基坑周邊地表沉降，隨開挖深度的增加不斷增加，空間上呈“類拋物線型”；支撐軸力突發(fā)性增大，但總體保持穩(wěn)定。

（2）通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析可知，模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果大致相符，變形趨勢大體一致，表明運用FLAC3D 模擬填埋場地基坑工程開挖施工基本可行，也證明了數(shù)值模擬的科學(xué)性，可為類似場地基坑工程積累經(jīng)驗。

（3）在模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比中，在地連墻水平位移和支持軸力方面，分別由于施工時空效應(yīng)和地下室臨時支撐等原因使得模擬結(jié)果大于監(jiān)測結(jié)果；而在基坑周邊地表沉降方面，由于實際施工存在大型機械與周圍建筑物的額外荷載作用使得監(jiān)測結(jié)果大于模擬結(jié)果，以上存在的差異及發(fā)生原因，是今后相關(guān)基坑工程數(shù)值模擬需要重視并且加以改進的方面，但這些差異在目前情況下屬于可接受范圍內(nèi)，依然可以指導(dǎo)類似工程施工。