深基坑變形和內力監測數據與有限元理論數據對比研究

金 甌，胡正華，陳成振

(1.溫州建設集團公司，浙江 溫州 325027;2.浙江大學 巖土工程研究所，杭州 310027)

1 工程概況

本文采用的工程實例為某軟黏土地基高速鐵路車站深基坑工程。根據巖土工程勘察報告，該場地屬江海沖積平原地貌單元。場地地下水類型主要是第四系松散類孔隙水，分為孔隙潛水和孔隙承壓水兩大類。淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土及粉土、粉砂中，補給來源主要為大氣降水及地表水，并與河塘呈互為補給關系，地下水位隨季節性變化，與錢塘江江水具水力聯系。靜止水位埋深1.4～3.9 m，相應高程3.52～4.98 m。場地年平均最高地下水位為地表下0.50 m左右，根據類似工程經驗及場地環境，地下水流速較小。基坑平面圖如圖1所示。

2 施工監測數據

結合設計要求及現場情況，必須做如下項目測試:①坑外地下水位觀測;②地表沉降監測;③墻頂、墻身水平位移監測;④支撐軸力監測;⑤房屋沉降及傾斜監測;⑥管線沉降及位移。

2.1 連續墻位移觀測點

在連續墻頂打入或埋入鋼制測釘，頂部露出地面約3～5 cm并磨成凸球面，周圍用混凝土加固。

在墻體的42個部位各布置1只水平位移測孔(測斜管)，管長以墻體高度為準。依照設計位置，在墻體中預先埋設測斜管，測斜管的管口用封蓋蓋好并做好保護箱，避免測斜管被損壞。

圖1 基坑平面示意

2.2 鋼支撐軸力觀測

在鋼支撐端部安裝反力計，一共埋設25個測點，每個測點上設1個反力計，用頻率計測讀。

2.3 鄰近建筑物傾斜監測

該基坑施工影響的建筑物主要有變電所、消防大隊內樓等建筑，我們將在上述建筑物的基礎、墻面上預鉆孔至結構層，將L型鋼筋埋入，鋼筋上部磨成凸球型，并澆注混凝土予以固定，如圖2所示。

2.4 基坑周圍地表沉降觀測

在觀測點處打入或埋入鋼制測釘，頂部露出地面約3～5 cm并磨成凸球面，見圖3。

2.5 地下水位的監測

圖2 地面建筑物監測點埋設示意

圖3 地面沉降監測點埋設示意

1)測點埋設:測點埋設采用地質鉆機鉆直徑φ89 mm孔，水位孔的深度在最低設計水位之下(坑外孔深同基底，坑內孔深達到基坑底下1～2 m)。成孔后放入裹有濾網的水位管，管壁與孔壁之間用凈砂回填至離地表0.5 m處，再用黏土進行封填，以防地表水流入。水位管用φ55 mm的PVC塑料管作濾管，管底加蓋密封，防止泥砂進入管中。下部留出0.5～1.0 m深的沉淀管(不打孔)，用來沉積濾水段帶入的泥砂。中部管壁周圍鉆6～8列 φ6 mm孔，縱向間距5～10 cm，相鄰兩列的孔交錯排列，呈梅花形布置。管壁外包扎濾網或土工布作為過濾層，上部再留出0.5～2.0 m不打孔作為管口段，以保證封口質量(如圖4)。

圖4 地下水位監測點示意

2)量測及計算:通過水準測量測出孔口高程H，將探頭沿孔套管緩慢放下，當測頭接觸水面時，蜂鳴器響，讀取測尺讀數 h，則地下水位 Hw=H-h。兩次觀測地下水位之差即水位的升降數值。

2.6 地下管線沉降觀測

對于鑄鐵管、鋼管等材質且埋深較淺的管道，可采用直接法布點。首先開挖至管道深度，將鋼筋焊接于管線的頂部并引至地表。對于埋深較淺的煤氣管道，則考慮采用抱箍法，即特制兩個對開的箍，環抱管道，用鋼筋引出地面。

3 實測數據與計算數據的對比

3.1 連續墻位移對比分析

現在從5-5剖面(見圖1)分析連續墻的位移規律，表1給出了有限元計算結果和實測值的比較。

表1 實測值和計算值的比較

從表1可以看出，有限元計算得到的結果與實測位移有一定的差異。其中工況一計算得的位移值比實測的小很多，其可能的原因是施工過程中，施工方在打完連續墻之后，進行了淺層土體的開挖，并進行了導墻的施工。這樣在架設第一道支撐之前停滯了很長一段時間，造成了連續墻持續變形的積累，使得在第一道鋼支撐架設時連續墻的位移已經變大，從而造成了實測值比計算值大一些的結果。

工況二、三計算的結果與實測值吻合得較好，因為在實際施工過程中該階段施工較為順利。工況四、五中，計算所得作用深度最大值比實測的深一些，這一現象的形成，說明了實際工程中的施工情況與計算工況有所不同。造成這一現象的原因可能是，在施工過程中，基坑周圍的荷載堆積比較多，由于工地施工場地的限制，鋼支撐經常會放置在基坑周圍，也方便鋼支撐的吊放，還有塔吊等重型機械會在基坑周圍移動、停放，這些基坑周圍的移動荷載會對連續墻的位移造成一定的影響，特別是對連續墻上面4～5 m部分的位移影響更大。因此，這有可能會造成連續墻在較淺的位置產生最大的位移，而不是計算所得的較深的位置。

從三個剖面的數值模擬來看，位移曲線的變化規律還是比較一致的。由于開挖的基坑寬度不同以及架設鋼支撐的不同，位移曲線會略有不同。大體上在地面以下7～8 m處出現最大位移，最大位移值與基坑開挖深度及基坑開挖寬度有關，基坑開挖深度相同，開挖的寬度越大，最大位移值也會越大。如5-5剖面開挖的寬度6.3 m，最大位移值為7.361 mm;7-7剖面開挖寬度21.3 m，最大位移值10.159 mm;4-4剖面開挖寬度12.2 m，最大位移值8.358 mm。當然位移值的大小也與基坑周圍的土質情況有關。

基坑連續墻最大側移為基坑開挖深度的0.1%～0.6%，平均值為0.3%。連續墻側向變形形態通常為深層凸鼓形，圍護結構頂部和底部側向變形較小，圍護結構最大側移點深度一般位于開挖面以上1.5 m至開挖面以下7 m范圍。

3.2 地表沉降分析

對于數值計算來說，對比三個剖面的地表沉降，可以看出沉降變化的總體趨勢是一致的。在基坑開挖的初期，基坑附近的土體有輕微的隆起，但在實測中很難有所反應。主要是因為施工的影響，基坑周圍環境比較復雜，堆積物也比較多，很難體現土體的隆起。隨著基坑的開挖，在基坑周邊的土體會沉降較大。本文所采用的實例中，基坑開挖15 m對基坑邊10 m以內的范圍影響較大，10 m外的沉降比較均勻，沉降值與實測值吻合比較好。有差異的測點有可能是在實際施工過程中地面車輛以及堆載引起的誤差。

3.3 鋼支撐軸力的比較分析

對比三個剖面的支撐軸力，變化規律是比較一致的。表2所示為4-4剖面鋼支撐軸力對比結果。

表2 4-4剖面鋼支撐軸力對比分析 kN

從表2的對比可以看出，實測值與計算值還是比較吻合的。第一、二道支撐在架設后軸力逐漸增大，在架設第三道支撐前達到較大值。第三道支撐架設完畢后，前兩道支撐的軸力明顯下降。第三道支撐軸力也是逐漸增大，在架設第四道支撐前達到較大值，在第四道支撐架設后明顯下降，每道支撐都有這樣的規律。應注意在新的支撐架設之后不要使上層支撐軸力下降為0，以免造成鋼支撐的掉落，導致施工事故。施工過程中應及時檢查第一道支撐的軸力是否較小，因為鋼支撐不能承受拉力，一旦軸力較小或為0之后，很容易造成鋼支撐的掉落，極易造成人員傷亡的慘劇。因此，施工過程中監測人員應特別注意這點。

在基坑開挖初期，一般計算的軸力小于實測值，可能是鋼支撐在架設初期還沒充分發揮其作用，隨著基坑內土體的開挖鋼支撐軸力逐漸發揮。在基坑開挖深度較深時，實測值明顯比計算值要大，這是因為實際開挖階段基坑周圍的情況比較復雜，對支撐軸力影響比較大，在數值模擬中很難全面考慮。

4 結論

本基坑工程位于飽和淤泥質軟土地層中，地下水豐富，土體強度極低，以地下連續墻做為圍護結構，采用4～5道φ609鋼管支撐，形成了剛度較大的支護體系。數值模擬結果表明，連續墻位移、鋼支撐軸力、地表位移等滿足設計的要求，且整體效果較好。

總體來看，用Plaxis模擬基坑開挖的過程，能夠基本反應基坑變形、破壞的規律，但基坑在實際施工過程中，基坑的變形、支撐軸力等受基坑周圍的環境影響很大。基坑周圍的過度堆載，基坑邊車輛的運行、停放，都可能導致地表沉降增大，連續墻位移變大，鋼支撐軸力變大。如果堆載不對稱，還有可能導致基坑兩側向一個方向傾斜的現象，對基坑的穩定十分不利。施工過程中由于各種原因的延期施工，對已開挖的基坑十分不利，由于停滯時間過長會造成位移的積累，對施工安全不利。

［1］劉建航，候學淵.基礎工程手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997:159-162.

［2］唐世強.地鐵深基坑支護體系內力及變形規律分析［J］.鐵道建筑，2008(11):35-39.

［3］奚光宇.北京地鐵明挖基坑的監控量測［J］.鐵道建筑，2010(12):53-56.

［4］朱伯芳.有限單元法原理及應用［M］.北京:水利電力出版社，1979.

［5］陳希哲.土力學地基基礎［M］.北京:清華大學出版社，1989.

［6］俞建霖，趙榮欣，龔曉南.軟土地基基坑開挖地表沉降量的數值研究［J］.浙江大學學報，1998，32(1):95-101.