復(fù)雜市域環(huán)境逆錯層式深基坑支護的數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測對比分析

劉敬鋒，袁梓瑞，徐成皓

（1.江蘇省地礦局第三地質(zhì)大隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212111；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著地下空間的不斷開發(fā)和利用，基坑開挖向著更深、更復(fù)雜的方向發(fā)展，為了保證基坑開挖過程中的安全和控制變形的需要，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的研究方法越來越多的應(yīng)用于基坑工程的施工當(dāng)中，為基坑工程的穩(wěn)定性提供科學(xué)指導(dǎo)。董必昌等[1]借助有限元軟件研究了雙排樁+錨桿結(jié)構(gòu)的變形、受力規(guī)律并進行配筋設(shè)計，結(jié)果顯示，基于有限元的基坑支護設(shè)計不僅可以考慮土體的本構(gòu)關(guān)系，還可減少鋼筋用量。李承超等[2]針對場地高差較大的基坑工程實例，探討了樁間土加固深度對結(jié)構(gòu)變形影響，認(rèn)為樁間土加固存在最優(yōu)深度。宋建學(xué)等[3]通過大量的實際現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)整理研究了鄭州地區(qū)在基坑施工設(shè)計過程中基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，并提出了可靠有效的基坑工程監(jiān)測的報警指標(biāo)；王正曉等[4]釆用數(shù)值模型對坑底土體變形性狀進行了分析，發(fā)現(xiàn)基坑底部土體正常固結(jié)會隨著基坑的開挖施工不斷變大。

綜上可知，雖然目前對于深基坑工程的變形規(guī)律和穩(wěn)定性分析已有較多研究，但研究不夠深入，尤其對于復(fù)雜市域環(huán)境中逆錯層式深基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和穩(wěn)定性研究還不多，對于逆錯層式深基坑支護的穩(wěn)定性及變形機制還有待深入探討。因此，本文以丹陽市某逆錯層式深基坑工程為背景，結(jié)合工程實例進行三維有限元模擬，并將支護結(jié)構(gòu)變形的模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了模擬分析的可行性，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑周邊概況

丹陽某建設(shè)項目地下室基坑支護位于鎮(zhèn)江丹陽市中心，周邊環(huán)境復(fù)雜，場地南側(cè)紅線外為河流，紅線外其他三側(cè)存在年代久遠的居民建筑?；有螤畈灰?guī)則，地下室負二層平面與地下室負一層平面不統(tǒng)一，存在錯層。

1.2 場地巖土工程地質(zhì)特征

根據(jù)巖土工程勘察報告，場地地基土由第四系全新統(tǒng)人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）、第四系上更新統(tǒng)（Q3al）及白堊紀(jì)（K2）風(fēng)化基巖組成。基坑開挖后，坑壁上部土層為填土層，填土層均勻性及密實性差，松散狀態(tài)，穩(wěn)定性差，下部為粉土層和軟土層，開挖后的基坑易發(fā)生局部崩塌或整體滑移破壞等不良地質(zhì)現(xiàn)象。該逆錯層深基坑開挖深度范圍內(nèi)存在深厚淤泥質(zhì)土，壓縮性高、敏感性高，并且地下水賦存豐富，對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。

1.3 基坑監(jiān)測設(shè)計方案

對于深大復(fù)雜的深基坑一般監(jiān)測布置點較多，分布較為集中，考慮到本項目存在逆錯層對南北側(cè)進行了重點監(jiān)測，主要包括基坑地表沉降、圍護樁深層水平位移、冠梁頂水平位移、冠梁頂豎向位移以及支撐軸力。本基坑現(xiàn)場監(jiān)測點布置如圖1所示，其中圍護樁深層水平位移用W表示，冠梁頂水平、豎向位移監(jiān)測點用G表示，軸力監(jiān)測點用Z表示。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析，可以驗證數(shù)值模擬的可行性。

圖1 監(jiān)測點布設(shè)

2 有限元建模

2.1 本構(gòu)模型選擇

本文使用MIDASGTS數(shù)值分析軟件。由于土體具有彈塑性，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈非線性，一般的彈塑性模型參數(shù)測定困難，因此，采用MohrˉCoulomb模型。灌注樁、內(nèi)支撐以及立柱僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系，在MIDASGTS中采用梁、板單元進行模擬。

2.2 模擬尺寸選擇及邊界條件

為減小數(shù)值模型中邊界約束條件對計算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，計算模型的邊界范圍在各個方向上均大于3倍的開挖深度。具體計算時模型沿X方向取348m，沿Y方向取173m，沿Z方向取40m。數(shù)值模擬計算中，地表為自由邊界；模型的前后左右四個邊界的X、Y方向位移限制為零，Z方向自由；模型底部邊界的X、Y、Z方向位移均限制為零。內(nèi)支撐與圍護樁應(yīng)為彈性約束，考慮到內(nèi)支撐的恒受壓性和建模的方便，釋放了數(shù)學(xué)模型中的梁端轉(zhuǎn)動約束，僅以鉸接代替。根據(jù)上述分析，建立三維模型如圖2所示，模型單元總數(shù)250904個。

圖2 數(shù)值模型

2.3 模擬參數(shù)的選擇

數(shù)值模擬中的計算參數(shù)主要包括土體、支護樁、內(nèi)支撐以及立柱樁的物理力學(xué)參數(shù)。在土體的模擬中按照實際的土體分層情況模擬，具體參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

2.4 施工全過程模擬

基坑施工階段模擬分為5個工況。

工況一：施工三軸止水帷幕、圍護樁、雙軸深攪重力式擋土墻、立柱樁與格構(gòu)柱。

工況二：挖至冠梁底標(biāo)高，施工冠梁與第一道混凝土內(nèi)支撐。

工況三：挖至腰梁底標(biāo)高，施工腰梁與第二道混凝土內(nèi)支撐。

工況四：挖至土釘標(biāo)高，施工土釘。

工況五：挖至基坑底。

3 模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

3.1 基坑地表沉降分析

圖3基坑南側(cè)地表沉降隨距坑邊距離變化的關(guān)系圖，由圖3可知，在基坑周邊地表出現(xiàn)U形沉降槽，在距坑邊開挖深度（H）范圍內(nèi)地表沉降速率較大，并在距離基坑邊H處實測沉降值最大，為18.6mm。距坑邊距離超過2H時，基坑開挖造成的地表沉降較小。通過對比模擬曲線與實測曲線發(fā)現(xiàn)兩者的沉降規(guī)律一致，但實測值要大于模擬值。這是由于現(xiàn)場會存在施工荷載和周邊道路的動荷載。

圖3 基坑南側(cè)地表沉降

3.2 圍護樁深層水平位移分析

通過三維模型發(fā)現(xiàn)北側(cè)圍護樁存在較多的陽角，且基坑北側(cè)相對于基坑南側(cè)來看只有一個豎向支護結(jié)構(gòu)，在控制樁身變形上明顯不足，因此為了更好地反應(yīng)圍護樁深層水平位移，選取兩個北側(cè)監(jiān)測點W2、W4與一個南側(cè)監(jiān)測點W10進行數(shù)值與實測值的對比分析如圖4所示。

圖4 圍護樁深層水平位移

由圖4可知，圍護樁在土壓力的作用下發(fā)生了向基坑內(nèi)移動的趨勢，圍護樁深層水平位移沿深度方向呈現(xiàn)出先增大后減小的凹型趨勢，最大位移值為28.30mm，樁頂與樁底的位移量明顯小于樁身中部的位移量，這是由于在開挖過程中樁身中部會產(chǎn)生較大的彎矩。由于模擬土方開挖是一次完成，實際則需要進行分層分段，并且基坑邊存在堆載，因此模擬值要比實測值偏小，但是兩者水平位移曲線整體偏差在15%以內(nèi)，即數(shù)值模擬可行。

3.3 冠梁頂位移分析

冠梁與內(nèi)支撐之間進行整體澆筑，在圍護樁與內(nèi)支撐之間起到剛性連接的作用，將兩個構(gòu)件連接成一個整體，在開挖過程中彼此相互作用又相互制約，能夠有效控制著基坑支護變形[5]。在三維模型中能夠發(fā)現(xiàn)基坑北側(cè)冠梁頂水平位移值要大于南側(cè)的，陽角處的水平位移量要大于基坑其他位置，因此，選取了最不利情況下陽角與長邊附近的監(jiān)測點進行模擬值與實測值的對比分析見表2。

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，基坑南側(cè)錯層處監(jiān)測點G4、G6的冠梁位移要小于北側(cè)G1、G2監(jiān)測點，這是因為北側(cè)只有圍護樁作為支護結(jié)構(gòu)，在陽角處冠梁頂位移一般較大；南側(cè)位于中部的G5監(jiān)測點冠梁頂位移數(shù)值要大于同側(cè)的數(shù)值，這是由于長邊效應(yīng)造成中部位移量變大，從監(jiān)測點整體上看北側(cè)的位移數(shù)值要更大些，最大值出現(xiàn)在陽角處，約22.5mm。對比模擬值與實際值發(fā)現(xiàn)在兩者水平位移存在離散性，這是因為現(xiàn)場的動荷載會增大實際基坑開挖時的卸載模量，但二者數(shù)值整體上離散程度不大，相對偏差在20%以內(nèi)。

表2 冠梁頂位移

4 結(jié)語

（1）基坑開挖后周邊地表的沉降曲線為U形沉降槽，沉降最大值位于距基坑邊一倍開挖深度處，最大值為18.6mm。

（2）通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測對圍護樁深層水平位移和冠梁位移進行對比，結(jié)果表明模擬值與實際值發(fā)現(xiàn)在支護結(jié)構(gòu)的變形上兩者離散性不大，規(guī)律一致，誤差在20%以內(nèi)。

（3）對復(fù)雜市域環(huán)境中逆錯層式深基坑挖過程進行三維有限元模擬，從模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果來看，二者吻合度較好，數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可行性，且數(shù)值模擬可進一步科學(xué)驗證支護結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。