某深基坑開挖位移特征的數值模擬與現場監測分析

蔣 蕤 吳 景 魏 東 戴 波 孫鵬飛

(1.中國建筑第四工程局有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519000； 2.中山大學工學院，廣東 廣州 510000)

某深基坑開挖位移特征的數值模擬與現場監測分析

蔣 蕤1吳 景1魏 東1戴 波1孫鵬飛2

(1.中國建筑第四工程局有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519000； 2.中山大學工學院，廣東 廣州 510000)

依托開挖實例模擬分析了該深基坑工程開挖過程中圍護結構位移變形的變化特征，并用現場監測數據對模擬結果進行了對比分析，研究表明數值分析得到的計算結果是可行的。

深基坑，基坑監測，可靠性，基坑設計，數值模擬

1 概述

基坑工程是指在地下工程施工時，支護結構施工、降水、土方開挖回填等工程的總稱，包括勘察、設計、施工、監測和檢測等，是一項綜合的系統工程[1]。深基坑能使得地下空間得到高效利用，緩解城市化過程中凸顯出來的用地緊張的矛盾，是城市建設的重要規劃方向。研究施工過程中深基坑變形及穩定性問題，對提升深基坑施工的速度、保證深基坑甚至上部結構安全有著重大意義[2]。本文以深基坑支護體系作為研究對象，分析深基坑開挖過程中基坑圍護結構的變形，根據現場監測結果驗證數值模擬的準確性，為深基坑設計和施工提供理論依據。

有限元數值模擬雖在基坑工程中應用廣泛，但建模過程進行了部分簡化與假定，只考慮工程的主要影響因素，導致模擬分析的結果與實際變形和位移分布存在一定的差異[3,4]。因此，分析數值模擬和實際監測結果之間的差異性，驗證數值模擬深基坑開挖的可靠性，為指導有限元分析的參數優化、基坑設計以及施工控制等方面有著重要的研究意義。研究表明，數值模擬深基坑開挖變形只是實現了深基坑的靜態預測和控制，而現場監測能夠實現深基坑開挖過程中對變形與穩定性的動態控制。若數值模擬的結果與實際的監測結果相差甚遠，甚至存在數據或結論上的矛盾，數值模擬將失去其應用價值。數值模擬為監測提供預測信息，而監測結果為數值模擬提供反饋信息，二者協同工作，形成信息優勢互補，共同實現安全施工，保證工程質量。因此，分析數值模擬與實際監測結果間的差異性有著極其重要的研究價值[5,6]。

擬研究深基坑支護工程位于廣州市海珠區，地下3層車庫。基坑北側11.5 m外為環島路，東側7.0 m外為一期建筑用地，南側60.0 m內為本項目開發用地，西側南段為開闊空地，西側北段9.0 m范圍外為多棟1層～2層廠房(天然基礎)。基坑側壁的安全等級確定為一級。場地絕對標高為7.600 m，基坑開挖底部絕對標高-7.000 m，基坑開挖深度為14.60 m，基坑周長約為560 m,開挖面積約17 950 m2。基坑安全等級為一級。

根據場地巖土工程勘察報告，整個場區地質情況相對較復雜，地基土自上而下為第四系填土層、沖積層、殘積層及白堊系基巖。對于基本土強度參數根據勘察報告選取見表1。

2 工程背景

場地地下水主要有填土層上層滯水、砂層孔隙水及基巖裂隙水三種類型。填土層上層滯水，屬包氣帶水，含水量較少，富水性較差，動態隨季節變化，主要受大氣降雨補給；砂層孔隙水，含水量大，透水性強，富水性強，而且與珠江有密切的水力聯系，故砂層孔隙水為動態水。場地內地下水對混凝土結構及鋼筋、鋼結構具有微弱腐蝕性[7]。

表1 土層基本參數取值表

3 數值計算分析

3.1計算模型

基坑采用2D模型，土層選用平面應變單元模擬，支護墻體、支撐、立柱選用梁單元模擬。邊界條件為兩側水平約束，底邊豎向和水平約束。根據監測數據知地下水位在基坑開挖的過程中基本保持在地下2 m，變化不大，因此計算時水位取地下2 m。坑內加固土體采用Mohr-Coulomb模型，為了實現模擬的可操作性，認為加固土是存在于原土層中，即計算地應力場時已經加固。開挖以前的初始應力和初始位移場的變化不予考慮，土體的初始位移假清零。

基坑開挖深度14.6 m，寬60 m。為了減小尺寸效應，結合經驗，基坑開挖一般認為在水平方向上的影響距離為5倍的基坑開挖深度，5倍開挖深度以外影響較小。在深度上，連續墻底落于強風化巖上，尺寸效應對其影響小，而且坑底距巖石頂面約8.5 m，所以自連續墻底至模型底取1倍～2倍開挖深度[8]。因此最終的模型大小為：長241 m，高46 m。

基坑模型網格劃分見圖1。

3.2工況模擬

現場施工流程：

1)第一步開挖→施工第一道支撐；

2)第二步開挖→施工第二道內支撐；

3)開挖到底→施工底板。

MIDAS/GTS軟件中土方開挖和支撐施加是通過單元激活鈍化實現，開挖通過鈍化開挖土層單元，施加內支撐則通過激活支撐實現的，這個工程模擬過程和實現方法如表2所示。

表2 MIDAS/GTS模擬過程

基坑的變形不僅和周邊的土體性質存在很大關系，同時和支護結構的剛度有很大關系，結構剛度越大，則變形越小。根據基坑設計情況，支護結構參數取值見表3。

表3 支護結構參數取值表

4 計算結果分析

將每步的位移分為水平位移和豎向位移，并綜合總位移來分析，位移云圖如圖2～圖4所示。

對比水平位移云圖發現，在第一步開挖時，基坑最大變形出現在基坑的頂部，后續步開挖時最大變形則在基坑開挖面附近，同時隨著基坑的開挖，其位置向下移動。第一步開挖時，由于沒有施加內支撐，基坑變形呈懸臂式；施加第一道支撐后，支撐限制住坑頂位移。繼續開挖后，隨著時間的推移，最大變形位置向下轉移。最終由于上部支撐限制住上部連續墻的變形，下部由于軟土流變作用，坑底隆起量越來越大，在基坑開挖面附近向坑內出現大的水平位移。

對比豎向位移云圖發現：第一步開挖時，坑底隆起成“拱型”，其他步開挖呈駝峰型；分析其主要原因，第一步開挖時間短，坑底隆起量主要是由卸載出現的坑底回彈引起的。在靠近連續墻的位置，因連續墻和土體之間的摩擦阻力，對土體有一個豎向的約束作用；對于其他步，坑底隆起量由兩部分組成，一部分是坑內土體卸載出現的彈性恢復，另一部分就是連續墻側向變形對土體產生擠壓，導致坑底隆起。在第二步開挖之后第二部分則起主導作用，從而導致出現了駝峰式的變形。對于坑外層，變形成“勺”形。在第一步開挖時，地表沉降很小，只有2 mm，可見短時間的淺層開挖，對周邊土體影響不大。

隨著基坑的開挖，基坑影響的范圍越來越廣，在開挖到坑底時，在基坑3倍開挖深度范圍內的土體影響顯著，最明顯的是距離坑邊15 m左右的土體。從最終的總位移云圖來看，基坑開挖影響的范圍超過5倍開挖深度，影響范圍如此之廣的主要原因是基坑位于深厚軟土地區，具有很強的流變性，基坑的開挖帶動大范圍土體的流動。

5 深基坑開挖數值模擬的可靠性分析

5.1沉降模擬曲線與實測曲線對比分析

為了更直觀地體現基坑開挖過程中的流變特性，提取距基坑邊15 m處的模擬沉降位移時程曲線見圖5。

由圖5可知，該模擬沉降曲線和沉降測量曲線無論是變形趨勢還是總的變形量上，吻合度都比較高。從沉降測量曲線看，基坑沉降大致呈“臺階式”發展，在底板澆筑后沉降變形趨于穩定，但是隨著時間的發展，變形還在繼續增長；模擬曲線也顯示此種規律，在基坑開挖階段，模擬曲線的臺階型增長不是很明顯，變形隨時間近似成線性增長。

5.2MIDAS/GTS模擬結果對比分析[2]

采用MIDAS有限元軟件對基坑開挖進行數值模擬，但模擬過程參數的選取與確定至關重要。雖然數值模擬的模型對實質工程進行了結構簡化，并忽略了一些對基坑變形影響相對次要的因素(如水位、滲透、固結)，還對部分結構進行了等效轉換(如數值模型中并未模擬鋼立柱，實際模擬中是在鋼立柱處施加約束，并相應增大支撐處的剛度)。因此數值模擬與工程的實際情況不能完全吻合，但通過結果對比可以看出，數值模擬分析具有一定的可靠性，其計算結果相對保守。

6 結語

本文基于實例工程的大量監測數據驗證MIDAS/GTS數值模擬的準確性和可靠性，并用實測數據與MIDAS/GTS數值模擬結果進行對比。總結全文，得出如下結論：

1)根據場地巖土工程勘察報告提取土層參數，再由基坑開挖影響土體的范圍，運用MIDAS/GTS軟件建立現場的241 m×46 m大小的巖土模型，并模擬現場三步開挖的施工順序，從而利用MIDAS/GTS軟件計算得出土體的位移變形云圖。

2)由水平云圖得知，第一步開挖時，基坑最大變形出現在基坑的頂部，后續步開挖時最大變形則在基坑開挖面附近，同時隨著基坑的開挖，其位置向下移動，最終坑底隆起量越來越大，在基坑開挖面附近向坑內出現大的水平位移。由豎向云圖得知，第一步開挖時，地表沉降很小，只有2 mm，可見短時間的淺層開挖，對周邊土體影響不大。隨著基坑的開挖，基坑影響的范圍越來越廣，在開挖到坑底時，在基坑3倍開挖深度范圍內的土體影響顯著，最明顯的是距離坑邊15 m左右的土體。

3)通過本文的研究表明，使用MIDAS/GTS等有限元軟件事先對實際工程基坑變形進行預測，事中對基坑工程的安全施工進行分析具有重要的實際意義，并具有較高的可靠性。為了保證對基坑等結構做出的可靠性評價準確、可信，數據的采集和計算必須嚴謹對待。

[1] 傅艷華,王旭東,宰金珉.基坑變形時間效應的有限元分析[J].南京工業大學學報(自然科學版),2005(5):32-36.

[2] 吳興昌.深基坑開挖數值模擬分析與穩定性分析計算[D].長春：吉林大學,2016.

[3] 鄭加柱,光 輝.顧及開挖深度的卡爾曼濾波模型在基坑變形分析中的應用[J].測繪通報,2009(5):49-51，68.

[4] 趙延林.深基坑穩定與變形的可靠性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2012.

[5] 楊學林.基坑工程設計、施工和監測中應關注的若干問題[J].巖石力學與工程學報,2012(11):2327-2333.

[6] 李四維,高華東,楊鐵燈.深基坑開挖現場監測與數值模擬分析[J].巖土工程學報,2011(S1):291-298.

[7] 鄭 剛,朱合華,劉新榮,等.基坑工程與地下工程安全及環境影響控制[J].土木工程學報,2016(6):1-24.

[8] 徐中華,王衛東.深基坑變形控制指標研究[J].地下空間與工程學報,2010(3):619-626.

Numericalsimulationandfieldmonitoringanalysisofdisplacementcharacteristicsofadeepfoundationpitexcavation

JiangRui1WuJing1WeiDong1DaiBo1SunPengfei2

(1.ChinaConstructionFourthEngineeringBureauCo.,Ltd,ZhuhaiBranch,Zhuhai519000,China; 2.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510000,China)

Based on an excavation example, the displacement and deformation characteristics of the retaining structure are simulated and analyzed during the excavation of the deep foundation pit, and the simulation results are compared and analyzed by field monitoring data. The research of this paper can provide reference for the design and construction of related engineering in the future. The results show that the numerical analysis is feasible.

deep foundation pit, foundation pit monitoring, reliability, designing of foundation pit, numerical simulation

1009-6825(2017)28-0066-03

2017-07-26

孫鵬飛(1994- )，男，在讀碩士

TU470

A