復雜市域環境逆錯層式深基坑支護的數值模擬與現場監測對比分析

劉敬鋒，袁梓瑞，徐成皓

（1.江蘇省地礦局第三地質大隊，江蘇 鎮江 212111；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003）

0 引言

隨著地下空間的不斷開發和利用，基坑開挖向著更深、更復雜的方向發展，為了保證基坑開挖過程中的安全和控制變形的需要，數值模擬與現場監測相結合的研究方法越來越多的應用于基坑工程的施工當中，為基坑工程的穩定性提供科學指導。董必昌等[1]借助有限元軟件研究了雙排樁+錨桿結構的變形、受力規律并進行配筋設計，結果顯示，基于有限元的基坑支護設計不僅可以考慮土體的本構關系，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構變形影響，認為樁間土加固存在最優深度。宋建學等[3]通過大量的實際現場監測數據整理研究了鄭州地區在基坑施工設計過程中基坑變形監測數據，并提出了可靠有效的基坑工程監測的報警指標；王正曉等[4]釆用數值模型對坑底土體變形性狀進行了分析，發現基坑底部土體正常固結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律和穩定性分析已有較多研究，但研究不夠深入，尤其對于復雜市域環境中逆錯層式深基坑開挖過程中支護結構變形規律和穩定性研究還不多，對于逆錯層式深基坑支護的穩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，結合工程實例進行三維有限元模擬，并將支護結構變形的模擬數據與現場監測數據進行對比分析，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

丹陽某建設項目地下室基坑支護位于鎮江丹陽市中心，周邊環境復雜，場地南側紅線外為河流，紅線外其他三側存在年代久遠的居民建筑。基坑形狀不規則，地下室負二層平面與地下室負一層平面不統一，存在錯層。

1.2 場地巖土工程地質特征

根據巖土工程勘察報告，場地地基土由第四系全新統人工填土、第四系全新統沖積層（Q4al）、第四系上更新統（Q3al）及白堊紀（K2）風化基巖組成。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，穩定性差，下部為粉土層和軟土層，開挖后的基坑易發生局部崩塌或整體滑移破壞等不良地質現象。該逆錯層深基坑開挖深度范圍內存在深厚淤泥質土，壓縮性高、敏感性高，并且地下水賦存豐富，對支護結構產生較大影響。

1.3 基坑監測設計方案

對于深大復雜的深基坑一般監測布置點較多，分布較為集中，考慮到本項目存在逆錯層對南北側進行了重點監測，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。本基坑現場監測點布置如圖1所示，其中圍護樁深層水平位移用W表示，冠梁頂水平、豎向位移監測點用G表示，軸力監測點用Z表示。通過現場監測數據與數值模擬結果對比分析，可以驗證數值模擬的可行性。

圖1 監測點布設

2 有限元建模

2.1 本構模型選擇

本文使用MIDASGTS數值分析軟件。由于土體具有彈塑性，其應力應變關系呈非線性，一般的彈塑性模型參數測定困難，因此，采用MohrˉCoulomb模型。灌注樁、內支撐以及立柱僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構關系，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

為減小數值模型中邊界約束條件對計算結果產生的不利影響，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。內支撐與圍護樁應為彈性約束，考慮到內支撐的恒受壓性和建模的方便，釋放了數學模型中的梁端轉動約束，僅以鉸接代替。根據上述分析，建立三維模型如圖2所示，模型單元總數250904個。

圖2 數值模型

2.3 模擬參數的選擇

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

表1 材料力學參數

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、立柱樁與格構柱。

工況二：挖至冠梁底標高，施工冠梁與第一道混凝土內支撐。

工況三：挖至腰梁底標高，施工腰梁與第二道混凝土內支撐。

工況四：挖至土釘標高，施工土釘。

工況五：挖至基坑底。

3 模擬結果與監測數據對比分析

3.1 基坑地表沉降分析

圖3基坑南側地表沉降隨距坑邊距離變化的關系圖，由圖3可知，在基坑周邊地表出現U形沉降槽，在距坑邊開挖深度（H）范圍內地表沉降速率較大，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現兩者的沉降規律一致，但實測值要大于模擬值。這是由于現場會存在施工荷載和周邊道路的動荷載。

圖3 基坑南側地表沉降

3.2 圍護樁深層水平位移分析

通過三維模型發現北側圍護樁存在較多的陽角，且基坑北側相對于基坑南側來看只有一個豎向支護結構，在控制樁身變形上明顯不足，因此為了更好地反應圍護樁深層水平位移，選取兩個北側監測點W2、W4與一個南側監測點W10進行數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生了向基坑內移動的趨勢，圍護樁深層水平位移沿深度方向呈現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，即數值模擬可行。

3.3 冠梁頂位移分析

冠梁與內支撐之間進行整體澆筑，在圍護樁與內支撐之間起到剛性連接的作用，將兩個構件連接成一個整體，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現基坑北側冠梁頂水平位移值要大于南側的，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可以發現，基坑南側錯層處監測點G4、G6的冠梁位移要小于北側G1、G2監測點，這是因為北側只有圍護樁作為支護結構，在陽角處冠梁頂位移一般較大；南側位于中部的G5監測點冠梁頂位移數值要大于同側的數值，這是由于長邊效應造成中部位移量變大，從監測點整體上看北側的位移數值要更大些，最大值出現在陽角處，約22.5mm。對比模擬值與實際值發現在兩者水平位移存在離散性，這是因為現場的動荷載會增大實際基坑開挖時的卸載模量，但二者數值整體上離散程度不大，相對偏差在20%以內。

表2 冠梁頂位移

4 結語

（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）通過數值模擬和現場監測對圍護樁深層水平位移和冠梁位移進行對比，結果表明模擬值與實際值發現在支護結構的變形上兩者離散性不大，規律一致，誤差在20%以內。

（3）對復雜市域環境中逆錯層式深基坑挖過程進行三維有限元模擬，從模擬結果與現場監測結果來看，二者吻合度較好，數值模擬結果具有一定的可行性，且數值模擬可進一步科學驗證支護結構的安全性與穩定性。