平度市某基坑開挖變形監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬分析

劉 奇 （中鐵十四局集團(tuán)有限公司市政工程分公司，山東 青島 266700）

0 引言

近年來隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，有限的土地資源難以滿足快速擴(kuò)張的需求，促使人們追求更高的建筑高度以使空間利用率最大化。因此涌現(xiàn)出越來越多的高層建筑及大量的地下工程[1]，但隨之而來的深基坑工程復(fù)雜性問題也更加突出。

本文依托平度市某工程實(shí)際案例，利用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行模擬，依據(jù)勘查和設(shè)計(jì)文件，對(duì)基坑開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)過程建立模型，與施工過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所選方案的合理性[1]。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于山東省平度市，擬建物為公共配套，地上3層，地下1層，框架結(jié)構(gòu)，獨(dú)立基礎(chǔ)；1#～22#樓為地上15 層和18 層，地下2 層，主樓為剪力墻結(jié)構(gòu)；筏形基礎(chǔ)，地基采用天然地基；地下車庫為地下1 層，框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用獨(dú)立基礎(chǔ)+防水板，外墻采用條形基礎(chǔ)，地基采用天然地基。本基坑深度約為4.10～5.80m。 基坑總支護(hù)長(zhǎng)度約為1200.00m。

1.2 工程地質(zhì)水文條件

依據(jù)勘察鉆孔所得到的地層資料，場(chǎng)地地層分布穩(wěn)定，層序較清晰，上覆第四系由全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）和全新統(tǒng)陸相沖洪積層（Q4al+pl）組成，下伏基巖為中生界白堊系上統(tǒng)王氏組砂巖（K2w）。

依據(jù)該區(qū)域水文地質(zhì)資料和勘察資料，擬建場(chǎng)地地下水類型以孔隙微承壓水為主?？紫段⒊袎核饕x存于第④層中粗砂中，補(bǔ)給、排泄均以側(cè)向徑流為主?？辈炱陂g，場(chǎng)地鉆孔內(nèi)穩(wěn)定水位埋深實(shí)測(cè)約為6.09～7.77m，水位高程約為32.60～33.93m。由于水位受季節(jié)性降水的影響較為明顯，查閱青島市氣象資料和場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)資料，水位年變幅約為2.0m，歷史最高水位的絕對(duì)高程約為36.0m。

2 基坑支護(hù)方案

常見的基坑支護(hù)形式多種多樣，包括放坡、重力式水泥擋土墻、地下連續(xù)墻、鋼板樁支護(hù)、雙排樁圍護(hù)支護(hù)和土釘墻支護(hù)。不同的支護(hù)形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程概況采用相對(duì)最優(yōu)的支護(hù)形式，既要避免采用不能突出反映工程問題的簡(jiǎn)單模型，又要避免采用需確定較多參數(shù)的復(fù)雜模型。

重力式擋土墻、地下連續(xù)墻、鋼板樁支護(hù)、雙排樁支護(hù)以及土釘墻支護(hù)等方式，造價(jià)高且施工難度大。該場(chǎng)地各項(xiàng)條件都滿足放坡支護(hù)形式，且放坡既操作簡(jiǎn)單，工程造價(jià)又相對(duì)較低，在綜合考慮多種因素后[2-5]，本基坑采用天然放坡+掛網(wǎng)噴漿支護(hù)方案，側(cè)壁安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用期限為12 個(gè)月。坡面按照坡比1:1 放坡，集水坑、電梯井按照30°角進(jìn)行放坡，施工坡道側(cè)壁按照1:2放坡掛網(wǎng)噴漿支護(hù)。放坡時(shí)，采用機(jī)械進(jìn)行分層、分段挖土，機(jī)械挖到預(yù)定深度后再采用人工整修坡，坡面平度按照規(guī)范要求允許偏差+20mm。深度和水平間距，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用剛尺定出孔位，再砸入固定釘，鋪設(shè)成品網(wǎng)，加強(qiáng)筋則鋪至坡頂，并使之與坡頂固定釘焊接在一起。坡頂設(shè)護(hù)欄及擋水墻，并在面層上埋設(shè)泄水管。排水溝和集水坑設(shè)置在基坑底部，溝寬和溝深均為0.30m，溝底應(yīng)設(shè)0.3%坡度，坡向集水坑。

3 監(jiān)測(cè)方案及結(jié)果分析

根據(jù)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)文件，本項(xiàng)目采用等級(jí)為二級(jí)的基坑側(cè)壁安全等級(jí)。依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497-2019）基坑工程設(shè)計(jì)要求以及參考本地區(qū)同類工程經(jīng)驗(yàn)，綜合確定本基坑工程的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)內(nèi)容為基坑坡頂?shù)乃轿灰坪突悠马數(shù)呢Q向位移。監(jiān)測(cè)按照二級(jí)基坑變形控制要求，其監(jiān)測(cè)范圍確定為基坑本體以及二倍基坑開挖深度范圍內(nèi)的環(huán)境。每3～5 天監(jiān)測(cè)一次坡頂水平位移和坡頂豎向位移，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)位圖

4 基坑數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型

土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系很復(fù)雜，且具有非線性、彈塑性、剪脹性和各向異性等特性。大多數(shù)學(xué)者所提出的土體本構(gòu)模型都只能模擬在某種加載條件下某類土的特性，沒有一種本構(gòu)模型能準(zhǔn)確、全面地表達(dá)任何加載條件下各類土體的本構(gòu)特性。根據(jù)文獻(xiàn)，本文采用Drucker-Prager 模型，該模型最大的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單且參數(shù)較少，在考慮屈服和強(qiáng)度受靜水壓力影響的同時(shí)，也綜合考慮了巖石類材料的擴(kuò)容性以及剪脹性，相對(duì)比較符合實(shí)際的土體情況[6]。該D-P模型的屈服面方程為：

c，?分別為土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

本文采用ANYSYS有限元分析軟件建立平度市該基坑項(xiàng)目的三維模型。采用彈塑性體本構(gòu)模型作為土體的本構(gòu)關(guān)系，以Drucker-Prager 作為屈服準(zhǔn)則，土體采用solid45 實(shí)體單元，為了盡可能準(zhǔn)確，在模擬過程中不同土層采用不同的材料參數(shù)進(jìn)行模擬，支護(hù)使用Shell181 殼單元進(jìn)行模擬。頂面的邊界條件采用自由邊界，其他面則采用法向約束作為邊界條件[6]，主要地層情況及物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 地層物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)文件的挖深，本次基坑模型計(jì)算范圍如圖2 所示，施工開挖模擬方案說明如表2 所示，模擬工序如圖3所示。

表2 施工模擬階段說明

圖2 基坑計(jì)算模型范圍圖

圖3 模擬工序圖

4.2 模擬變形分析

基坑施工過程中，模擬各步序得到的水平和垂直變形云圖分別如圖4 和圖5 所示，土體的變形主要為水平位移變形和垂直方向的沉降變形。

圖4 模擬工序水平變形云圖

圖5 模擬工序垂直變形云圖

由圖4 可看出，基坑水平變形隨著基坑開挖深度出現(xiàn)偏向基坑側(cè)的位移變形，且當(dāng)基坑開挖至基底時(shí)，水平變形達(dá)到最大值為-18.8mm。

由圖5 可看出，基坑土體垂直方向的變形主要是沉降，且主要集中在基坑中部的外側(cè)，向左右兩側(cè)逐漸減少，最大變形值為-3.5mm。坑底垂直變形為隆起，主要集中在中部，最大值為-4.7mm，主要與土體的卸載有關(guān)，導(dǎo)致了土體進(jìn)行重力重分布。

4.3 模擬與監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

選取基坑北側(cè)、南側(cè)、西側(cè)若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（見表3），可以看出現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的水平與豎直累計(jì)位移量均在合理范圍內(nèi)，且小于數(shù)值模擬的位移值，說明該基坑放坡+掛網(wǎng)噴漿的支護(hù)方案選取合理。

表3 模擬與監(jiān)測(cè)位移對(duì)比

5 結(jié)論

本文利用ANYSYS有限元軟件建立的三維模型，直觀展示了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化，通過模擬的變形數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)值的誤差均較小，且變化范圍基本一致，說明模型的設(shè)置以及支護(hù)方式的選擇均合理，有限元模擬可在一定程度上為基坑支護(hù)方式的選擇與設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。由于土體的復(fù)雜性以及假定計(jì)算條件與實(shí)際工況會(huì)存在差異，所以在整個(gè)模擬過程中還應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果反向改進(jìn)模擬參數(shù)的設(shè)置。