上海某深基坑工程數值模擬與現場監測分析

吳水根 侯 飛 張 銘

(同濟大學建筑工程系，上海200092)

1 工程概況

上海某深基坑工程位于上海市虹口區楊樹浦路北外灘地區，基地南臨黃浦江，北靠楊樹浦路，東側為瑞豐大廈及秦皇島路。基地占地面積35 210 m2，總建筑面積196 208 m2，其中地下建筑面積91 208 m2。基地內布置有前后兩排共4幢商辦建筑，分別為 B01樓、B02樓、B05樓、B06樓，地下室為地下車庫和港池。地下室共三層，地下一層層高7．5 m，地下二層層高4 m，地下三層層高3．6 m。整個基坑呈不規則長方形，基坑東西長約230m，南北進深120～160m。基坑采用鉆孔灌注樁加三道混凝土支撐的圍護形式，采用φ850 mm三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕。場地東側遺留一棵樹齡為120年的古廣玉蘭樹，該樹木屬上海市二級保護古樹，古樹附近圍護形式采用地下連續墻。基坑圍護平面布置圖如圖1所示。

本工程地處虹口鬧市區，局部區域環境保護要求較高，基坑距離西側大連路地下泵站最近距離約16．65 m，施工期間需保持其正常使用狀態。場地南側緊鄰黃浦江，防汛墻與地下室外墻距離僅為27～28 m。北側為交通主干道楊樹浦路，道路下方共有7條市政管線，施工過程中需做好監測工作。

圖1 基坑圍護平面布置圖及監測測點布置圖Fig．1 Plan of the main support structure and layout of monitoring points

2 數值模擬分析

2．1 計算模型及工況

Plaxis具有線彈性模型、摩爾-庫侖模型、軟土模型(劍橋模型)、軟土蠕變模型等，非常適合對巖土問題的分析。本文分析土體采用巖土工程廣為應用的摩爾-庫侖模型，圍護結構采用線彈性模型。摩爾-庫侖模型中采用15節點的土單元，該模型參數包括干容重、飽和容重、壓縮模量、泊松比、黏聚力和摩擦角。土體力學參數見表1。當土體內任一平面上的剪應力達到土體的抗剪強度時土體就發生破壞。完整的摩爾-庫侖屈服準則可以用三個以主應力表示的屈服函數來定義:

表1 土體力學參數Table 1 Physical and mechanical properties of soil

針對深度為13．4 m基坑開挖對圍護結構與鄰近楊樹浦路及其地下管線的影響，選擇A—A典型剖面進行分析，如圖2所示。豎直向影響深度一般大于或等于2 H(H為基坑開挖深度)，本模型取為地表以下45 m;水平向影響范圍一般大于或等于3 H，本模型水平向距離取為距基坑邊為60 m。水平方向為X方向，垂直方向為Y方向，且對X邊界施加X向位移約束，Y邊界施加Y向約束。采用等三角形六節點模擬土體、水泥土;用梁單元模擬圍護樁;圍護樁和土體之間采用接觸面單元模擬。支撐模型采用點錨式桿件材料(彈性材料)，支撐間距假定為10 m。土層資料按場地內較差土層分布選取。地面超載取為20 kN/m2。

為反映初始應力狀態及施工過程，本次計算共分6個施工步進行，如表2所示。

表2 施工工況Table 2 Working conditions

圖2 模型有限網格劃分圖Fig．2 FEM model

2．2 數值模擬結果及分析

2．2．1 圍護結構水平位移分析

隨著開挖深度的增加，主動土壓力也隨之增大，而鉆孔灌注樁的入土部分對底部的位移有著約束作用，使得圍護結構的水平位移沿著樁體大致呈兩頭小中間大的弓形變化。圍護結構的最大水平位移計算值為33．9 mm，最大位移點位于基底以上約0．9 m處。圍護體A—A剖面總位移變形如圖3所示，水平位移如圖4所示。

圖3 總位移變形云圖Fig．3 Contour of the total displacement

圖4 圍護體A—A剖面水平位移圖Fig．4 Horizontal displacement of the enclosure

2．2．2 圍護結構內力分析

通過對施工過程進行模擬計算，內力計算結果如圖5所示。從圖中可以看出，在開挖過程中圍護體的彎矩為 －449．5 ～1 274．6 kN·m，最大彎矩為1 274．6 kN·m，最大彎矩值點大致位于基底處。圍護體的剪力為－317．9～553．2 kN，最大剪力為553．2 kN，最大剪力值點位于基底以上約3．4 m處。計算結果可為圍護設計人員設計與校核圍護墻時提供參考。

3 基坑監測

3．1 監測目的

由于該基坑深度較大，周邊環境復雜，為確保該基坑工程的工程質量和施工安全，除了采取圍護措施外，還應進行必要的監測工作。根據監測數據及時調整開挖速度及位置，降低對周邊環境的影響［1］。

圖5 圍護體彎矩、剪力圖Fig．5 Bending moment diagram and shear diagram of the enclosure

3．2 監測內容

監測的主要內容包括:①圍護體、土體深層側向位移(測斜)監測;②地下管線垂直、水平位移監測。基坑主要監測點布置如圖1所示。

3．3 監測結果分析

3．3．1 圍護體、土體深層側向位移監測

圍護體、土體測斜監測設備采用武漢深基坑研究所CX-3型土體測斜儀。測斜孔的布置見圖1所示。墻體布設測斜 28孔，編號為 CX1—CX28，孔位間距25～30 m，孔深29～31．2 m。土體布設10孔，編號為CX29—CX38，孔位間距35～45 m，孔深36 m。CX3監測結果見圖6。

圖6 圍護體CX3水平位移曲線Fig．6 Monitoring curve of the horizontal displacement of CX3

從圖6中可以看出:

(1)位移隨著開挖深度的增大而增大，各階段曲線變化規律近似呈“弓形”。截止到2013年8月31日底板澆筑完成，在靠近楊樹浦路的CX1—CX6 測點中，CX1，CX3，CX6 的水平位移較大，分別為 23 mm、23 mm、24．4 mm。CX3 的最大水平位移與坑深之比為0．17%，屬于較低水平。

(2)底板的澆筑經歷了較長的時間，而同時期圍護體的側向位移在這段時間內增長了5 mm，說明上海軟土的流變性質對基坑變形的發展影響很大［2］。

3．3．2 地下管線垂直、水平位移監測

在基地北側楊樹浦路下的重要管線—上水管處設置14個監測點，編號為S1—S14。累積最大沉降監測點(S11)為27．96 mm，累積最大水平位移監測點(S9)為19 mm，各測點隨時間的變化曲線見圖7、圖8。在0～20 d范圍內，為開挖至第一道支撐底部，挖深僅為1．4 m，地表沉降和水平位移近于直線變化。在100～150 d范圍內，由于此時分塊開挖至一號塔樓區域且該區域開挖深度較大，因此S9和S11處沉降急劇增大。

圖7 上水管線測點沉降曲線Fig．7 Settlement curve of the upper hose

圖8 上水管測點水平位移曲線Fig．8 Monitoring curve of horizontal displacement of the upper hose

4 數值模擬結果與實測數據對比

4．1 圍護體水平位移計算值與現場實測值比較

圍護體水平位移的計算值與現場實測值比較如圖9所示。由圖9可見，圍護體水平位移的計算值和實測值比較吻合，曲線變化規律均呈現“弓形”。計算的水平位移最大值為33．9 mm，實測的水平位移最大值為23 mm，相差10．9 mm。在地表下6 m以上，圍護體計算值小于實測值，6 m以下計算值大于實測值。計算的圍護體水平位移的最大值的位置發生在基底以上約0．9 m處，這和實測的最大位移的位置基本相同。計算值與實測值均在深度26 m左右減為零，可以看出，圍護體水平位移的影響范圍約為開挖面以下兩倍的基坑開挖深度。《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497—2009)［3］中基坑類別一級的灌注樁圍護墻深層水平位移的參考值為45～55 mm，實測值與計算值均滿足規范要求。

圖9 圍護體CX3水平位移對比圖Fig．9 Comparison between monitoring results and numerical result of CX3

4．2 地下管線的垂直、水平位移計算值與現場實測值比較

選取有代表性的S7，S9測點進行垂直、水平位移的計算值與現場實測值比較，如表3所示。

表3 各測點實測值與計算值比較Table 3 Comparison between site monitoring result and numerical results

由表3可見，對楊樹浦路下上水管線的數值模擬計算起到了較好的控制作用，其水平側移的計算值大于實測值，沉降的計算值略小于實測值。圖10為S7測點數值計算水平位移曲線以及其與現場實測值的對比圖。由圖可見，雖然現場實測值體現出一定離散性，但均在模擬計算可控制范圍之內。《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497—2009)［3］中剛性管道管線位移的報警參考值為10～30 mm，亦滿足規范要求。計算值與實測值二者存在的差異可能是由于假定的計算條件與實際條件存在的差異性，上海地區軟土的流變性質對變形發展的影響大以及施工環境復雜所引起的［4］。

圖10 S7測點水平位移對比圖Fig．10 Comparison between monitoring and numerical simulation on S7

5 結論

(1)土體及圍護體的最大位移隨著開挖深度的增大而增大，最大位移點逐步下移，曲線變化規律近似呈“弓形”。開挖對圍護體及土體的影響深度約為兩倍開挖深度。

(2)對于開挖面積大、深度深、緊鄰道路且地下管線眾多的復雜基坑工程，加強信息化施工十分必要。通過對管線位移的實時監測來指導施工，降低對周邊環境的影響。

(3)對于軟土地區，土體流變效應明顯，在基坑施工過程中，盡量減少無支撐暴露時間，盡快澆筑底板，防止土體流變產生過大位移。

(4)數值分析結果與實測結果基本吻合，但由于假定的計算條件與實際條件存在的差異性及施工過程和巖土參數的變異性等原因，使得計算值與實測值存在一定差別［5］。

［1］ 姜忻良，宗金輝，孫良濤．天津某深基坑工程施工監測及數值模擬分析［J］．土木工程學報，2007，40(2):79-84．Jiang Xinliang，Zong Jinhui， Sun Liangtao． Construction monitoring and numerical simulation analysis for deep excavation of a foundation pit in Tianjin［J］．China Civil Engineering Journal，2007，40(2):79-84．(in Chinese)

［2］ 徐中華，王衛東，王建華．上海軟土地區上海銀行大廈深基坑工程的實測與分析［J］．巖石力學與工程學報，2004，23(1):4639-4644．Xu Zhonghua，Wang Weidong，Wang Jianhua．Monitoring and analysis of the deep foundation pit of Shanghai Bank building in soft soil ground in Shanghai［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(1):4639-4644．(in Chinese)

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．GB 50497—2009建筑基坑工程監測技術規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2009．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China．GB 50497—2009 Technical code for monitoring of building foundation pit engineering［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2009．(in Chinese)

［4］ 鄭軍，余紹鋒．大型深基坑開挖的有限元分析［J］．結構工程師，2012，28(5):124-127．Zheng Jun，Yu Shaofeng．Finite element analysis of deep excavations［J］．Structural Engineers，2012，28(5):124-127．(in Chinese)

［5］ 張輝，熊巨華，曾英俊．長條形基坑地下連續墻側向位移數值模擬及其影響因素分析［J］．結構工程師，2010，26(1):80-86．Zhang Hui，Xiong Juhua，Zeng Yingjun．Numerical simulation and influence factor analysis on lateral displacement of diaphragm wall in long-narrow pit［J］．Structural Engineers，2010，26(1):80-86．(in Chinese)