基于模型數(shù)據(jù)與變形監(jiān)測(cè)分析深基坑安全處理研究

摘要：針對(duì)深基坑工程開(kāi)挖前進(jìn)行有限元數(shù)據(jù)模擬，提前預(yù)測(cè)最大變形量?；娱_(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合預(yù)測(cè)變形實(shí)施對(duì)比分析，進(jìn)一步揭露深基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受不良?xì)夂驐l件時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形大。及時(shí)采取深基坑卸載、基坑底加固等措施，保證深基坑開(kāi)挖過(guò)程中安全性及穩(wěn)定性，為類似工程提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：深基坑；沉降監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)分析；穩(wěn)定性；支護(hù)結(jié)構(gòu)

0" "引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市化建設(shè)不斷加快，城市人口密集程度極高，高層建筑住宅越來(lái)越被城市居民所需要。而高層建筑的施工需要進(jìn)行深基坑開(kāi)挖[1]，深基坑的施工則影響著高層建筑的安全穩(wěn)定。常見(jiàn)的深基坑施工問(wèn)題主要有基坑周邊地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及地下水滲漏等[2]，嚴(yán)重者將導(dǎo)致基坑坍塌。

我國(guó)南方地區(qū)地下水較為豐富，且降雨量大，給基坑施工帶來(lái)較大的安全隱患，尤其在深基坑支護(hù)及開(kāi)挖環(huán)節(jié)，受降雨量影響，會(huì)嚴(yán)重影響到基坑土體的穩(wěn)定。因此針對(duì)降雨情況下的深基坑開(kāi)挖，要事先開(kāi)展施工模擬并預(yù)測(cè)各工況的變形趨勢(shì)，在施工過(guò)程中進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)[3-5]，從而引導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

目前，已有多數(shù)學(xué)者對(duì)降雨條件下基坑開(kāi)挖施工變形規(guī)律進(jìn)行研究分析，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估施工安全風(fēng)險(xiǎn)。羅開(kāi)珍[6]采用數(shù)值模擬方法對(duì)粉砂土基坑施工安全的影響進(jìn)行分析；黃華松等[7]結(jié)合軟土深基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析降雨對(duì)基坑變形的影響；嚴(yán)博翀與王小瓏[8]采用有限元方法，分析基坑開(kāi)挖及降雨對(duì)路基的影響，并提出相應(yīng)的施工控制措施。

本文從基坑開(kāi)挖前對(duì)基坑進(jìn)行三維模型建立，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中最大變形量，結(jié)合施工中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析施工過(guò)程中的變形，指導(dǎo)基坑開(kāi)挖。對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中受連續(xù)降雨影響，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常問(wèn)題，采取有效措施處置，以保證基坑安全穩(wěn)定。

1" "工程背景

1.1" " 工程概況

某工程總建筑面積114936m2，其中地上78801m2，地下36135m2。包括2棟1～28層住宅樓、2棟1～26層住宅樓、2棟1～29層住宅樓、1棟3層幼兒園、1棟1層垃圾收集站、1棟1層門樓及值班室等9棟地上單體建筑，地下3層車庫(kù)和室外工程等，基坑周長(zhǎng)約600m，開(kāi)挖深度約為9.3～13.9m，土方開(kāi)挖量18.71萬(wàn)m3，開(kāi)挖面積16030m2。

1.2" " 地質(zhì)條件

結(jié)合勘察資料，整理相關(guān)土層參數(shù)信息如表1所示。

本基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用灌注樁+錨索，部分陰角采用混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)形式，其中三層地下室區(qū)域采用兩道錨索，兩層地下室區(qū)域采用一道錨索，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為一級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)使用年限為2年。地塊二基坑開(kāi)挖3倍范圍內(nèi)無(wú)現(xiàn)有建筑物及市政管線，北側(cè)約30m為現(xiàn)場(chǎng)施工項(xiàng)目部板房。

2" "模型的建立及變形分析

2.1" " 有限元模型

采用MIDAS建立深基坑開(kāi)挖施工三維有限元模型，模型中的圍護(hù)樁采用的是梁?jiǎn)卧?，預(yù)應(yīng)力錨索則是采用植入式桁架單元。各材料采用的本構(gòu)模型如下：土體采用修正摩爾-庫(kù)倫模型，支護(hù)樁和錨索均采用彈性本構(gòu)模型。

本模型長(zhǎng)度為484m（x軸）、寬300m（y軸），基坑影響范圍2～24倍基坑深度，開(kāi)挖深度為13.9m，按照高60m（z軸）建立模型，坡高取為1.5m，坡度為1：2。邊界條件為底座固定，四面設(shè)置水平方向約束，頂面自由。為了模擬開(kāi)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，本模型模擬了降雨條件下深基坑開(kāi)挖支護(hù)的施工過(guò)程。三維有限元整體模型如圖1所示。支護(hù)樁以及錨桿模型如圖2所示。

2.2" " 模擬工況變形分析

施工工況一：施工灌注樁，開(kāi)挖至樁頂?shù)奈恢茫┕す诹?，施工第一道錨索并施加預(yù)應(yīng)力。工況一在X方向的水平位移如圖3所示，在Y方向的水平位移如圖4所示。

施工工況二：基坑開(kāi)挖至第二道錨索以下0.5m。工況二在X方向的水平位移如圖5所示，在Y方向的水平位移如圖6所示。

施工工況三：施工第二道錨索并施加預(yù)應(yīng)力，基坑開(kāi)挖至底。工況三在X方向的水平位移如圖7所示，在Y方向的水平位移如圖8所示。

根據(jù)上述不同工況下施工情況進(jìn)行分析，在施工工況一下，支護(hù)結(jié)構(gòu)在X和Y方向上的最大水平位移分別為3.4mm和3.4mm；在施工工況二下，支護(hù)結(jié)構(gòu)在X和Y方向上的最大水平位移分別為11.3mm和11.6mm；在施工工況三下，支護(hù)結(jié)構(gòu)在X和Y方向上的最大水平位移分別為34.2mm和32.8mm。本基坑施工的最大水平位移出現(xiàn)在支護(hù)樁的中心，最大水平位移為34.2mm。根據(jù)基坑工程監(jiān)測(cè)規(guī)范可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的允許撓水平位移42.5mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為34.2 mm，＜42.5 mm。

3" "基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變形分析

3.1" " 基坑監(jiān)測(cè)布置

本文選取地面沉降、冠梁頂水平位移、冠梁沉降、地下水位作為研究對(duì)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)分析，監(jiān)測(cè)要求及測(cè)點(diǎn)布設(shè)如表2所示。

3.2" " 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

基坑采取分層開(kāi)挖，每層開(kāi)挖深度為1.5m，冠梁施工結(jié)束后，在冠梁頂埋設(shè)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)較多，本次選取基坑施工過(guò)程中位移變形量較大西側(cè)邊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，冠梁頂位移變形點(diǎn)、沉降觀察點(diǎn)編號(hào)為S14～S26，冠梁水平位移曲線如圖9所示，冠梁沉降位移曲線如圖10所示。

從圖9和圖10可以看出，施工至4月8日時(shí)，基坑已開(kāi)挖至第二道錨索位置設(shè)計(jì)深度9.5m，此時(shí)該基坑西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S21、S22、S23、S24變形數(shù)據(jù)中最大變形量為12.7mm，與有限元數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析變形預(yù)測(cè)值11.6基本一致。

4月23日至5月3日期間，受當(dāng)?shù)靥鞖獬掷m(xù)降雨原因，場(chǎng)區(qū)積水嚴(yán)重，地下水位上升，水壓力增大導(dǎo)致基坑變形量、沉降量持續(xù)增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)S21、S22、S23、S24變形較大，其中S23、S24監(jiān)測(cè)點(diǎn)4月28日至5月3日平均變形速率1.9mm/d，最大變形量為29.4mm、29.2mm。根據(jù)有限元數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)本基坑最大變形量為34.2mm，按照變形數(shù)據(jù)及變形趨勢(shì)分析，需對(duì)變形過(guò)大段基坑進(jìn)行處理。

5" "處理措施

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及變化趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)研究確定自5月3日起，迅速對(duì)S22-S24范圍冠梁頂基坑外土方進(jìn)行卸載處理，卸載土體寬度8m，長(zhǎng)25m，高2.5m，卸載土方量約500m3，卸載后立即采用8cm 厚C20混凝土進(jìn)行封閉?；覵12-S26段基坑頂增設(shè)防水布，防止雨水滲入基坑外側(cè)土體，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)積水、側(cè)壓力增大，進(jìn)而加劇支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

做好基坑底部排水工作，防水基坑泡水，同時(shí)加快該區(qū)域內(nèi)地下室筏板施工。根據(jù)參建各方討論達(dá)成的一致意見(jiàn)，采用底板補(bǔ)強(qiáng)措施，將S22-S24范圍底板往外延伸與支護(hù)樁相連，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。底板采用早強(qiáng)混凝土，提高底板早期強(qiáng)度，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的絕對(duì)安全。同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，對(duì)冠梁頂水平位移報(bào)警值和控制值進(jìn)行復(fù)核，及時(shí)分析數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。

6" "結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合深基坑前期有限元模擬基坑開(kāi)挖至不同深度下基坑變形數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行基坑變形監(jiān)測(cè)、變形數(shù)據(jù)分析，指導(dǎo)基坑開(kāi)挖施工。針對(duì)不良?xì)夂驐l件下監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)大的問(wèn)題，結(jié)合模型預(yù)測(cè)值，判斷分析出基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形因素，對(duì)基坑結(jié)構(gòu)及時(shí)停止基坑開(kāi)挖，采取有效的加固措施，保證深基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中安全隱患。根據(jù)本工程案例分析可知，深基坑施工過(guò)程對(duì)基坑穩(wěn)定性、安全性尤為重要，關(guān)鍵時(shí)刻有效處理失穩(wěn)基坑，有助于防止基坑坍塌。

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