平度市某基坑開挖變形監測及數值模擬分析

劉 奇 （中鐵十四局集團有限公司市政工程分公司，山東 青島 266700）

0 引言

近年來隨著城市化進程的不斷加速，有限的土地資源難以滿足快速擴張的需求，促使人們追求更高的建筑高度以使空間利用率最大化。因此涌現出越來越多的高層建筑及大量的地下工程[1]，但隨之而來的深基坑工程復雜性問題也更加突出。

本文依托平度市某工程實際案例，利用ANSYS 有限元軟件進行模擬，依據勘查和設計文件，對基坑開挖和圍護結構過程建立模型，與施工過程中的監測數據進行對比，驗證所選方案的合理性[1]。

1 工程概況

1.1 項目概況

該項目位于山東省平度市，擬建物為公共配套，地上3層，地下1層，框架結構，獨立基礎；1#～22#樓為地上15 層和18 層，地下2 層，主樓為剪力墻結構；筏形基礎，地基采用天然地基；地下車庫為地下1 層，框架結構，內部采用獨立基礎+防水板，外墻采用條形基礎，地基采用天然地基。本基坑深度約為4.10～5.80m。 基坑總支護長度約為1200.00m。

1.2 工程地質水文條件

依據勘察鉆孔所得到的地層資料，場地地層分布穩定，層序較清晰，上覆第四系由全新統人工填土層（Q4ml）和全新統陸相沖洪積層（Q4al+pl）組成，下伏基巖為中生界白堊系上統王氏組砂巖（K2w）。

依據該區域水文地質資料和勘察資料，擬建場地地下水類型以孔隙微承壓水為主。孔隙微承壓水主要賦存于第④層中粗砂中，補給、排泄均以側向徑流為主。勘察期間，場地鉆孔內穩定水位埋深實測約為6.09～7.77m，水位高程約為32.60～33.93m。由于水位受季節性降水的影響較為明顯，查閱青島市氣象資料和場區水文地質資料，水位年變幅約為2.0m，歷史最高水位的絕對高程約為36.0m。

2 基坑支護方案

常見的基坑支護形式多種多樣，包括放坡、重力式水泥擋土墻、地下連續墻、鋼板樁支護、雙排樁圍護支護和土釘墻支護。不同的支護形式各有優缺點，在工程設計中應根據實際工程概況采用相對最優的支護形式，既要避免采用不能突出反映工程問題的簡單模型，又要避免采用需確定較多參數的復雜模型。

重力式擋土墻、地下連續墻、鋼板樁支護、雙排樁支護以及土釘墻支護等方式，造價高且施工難度大。該場地各項條件都滿足放坡支護形式，且放坡既操作簡單，工程造價又相對較低，在綜合考慮多種因素后[2-5]，本基坑采用天然放坡+掛網噴漿支護方案，側壁安全等級為二級，設計使用期限為12 個月。坡面按照坡比1:1 放坡，集水坑、電梯井按照30°角進行放坡，施工坡道側壁按照1:2放坡掛網噴漿支護。放坡時，采用機械進行分層、分段挖土，機械挖到預定深度后再采用人工整修坡，坡面平度按照規范要求允許偏差+20mm。深度和水平間距，根據設計要求采用剛尺定出孔位，再砸入固定釘，鋪設成品網，加強筋則鋪至坡頂，并使之與坡頂固定釘焊接在一起。坡頂設護欄及擋水墻，并在面層上埋設泄水管。排水溝和集水坑設置在基坑底部，溝寬和溝深均為0.30m，溝底應設0.3%坡度，坡向集水坑。

3 監測方案及結果分析

根據基坑支護設計文件，本項目采用等級為二級的基坑側壁安全等級。依據《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497-2019）基坑工程設計要求以及參考本地區同類工程經驗，綜合確定本基坑工程的監測項目和監測內容為基坑坡頂的水平位移和基坑坡頂的豎向位移。監測按照二級基坑變形控制要求，其監測范圍確定為基坑本體以及二倍基坑開挖深度范圍內的環境。每3～5 天監測一次坡頂水平位移和坡頂豎向位移，監測點布置如圖1所示。

圖1 基坑監測點位圖

4 基坑數值模擬

4.1 計算模型

土體的應力應變關系很復雜，且具有非線性、彈塑性、剪脹性和各向異性等特性。大多數學者所提出的土體本構模型都只能模擬在某種加載條件下某類土的特性，沒有一種本構模型能準確、全面地表達任何加載條件下各類土體的本構特性。根據文獻，本文采用Drucker-Prager 模型，該模型最大的優點是計算相對簡單且參數較少，在考慮屈服和強度受靜水壓力影響的同時，也綜合考慮了巖石類材料的擴容性以及剪脹性，相對比較符合實際的土體情況[6]。該D-P模型的屈服面方程為：

c，?分別為土的粘聚力和內摩擦角。

本文采用ANYSYS有限元分析軟件建立平度市該基坑項目的三維模型。采用彈塑性體本構模型作為土體的本構關系，以Drucker-Prager 作為屈服準則，土體采用solid45 實體單元，為了盡可能準確，在模擬過程中不同土層采用不同的材料參數進行模擬，支護使用Shell181 殼單元進行模擬。頂面的邊界條件采用自由邊界，其他面則采用法向約束作為邊界條件[6]，主要地層情況及物理力學計算參數如表1所示。

表1 地層物理力學計算參數

根據基坑設計文件的挖深，本次基坑模型計算范圍如圖2 所示，施工開挖模擬方案說明如表2 所示，模擬工序如圖3所示。

表2 施工模擬階段說明

圖2 基坑計算模型范圍圖

圖3 模擬工序圖

4.2 模擬變形分析

基坑施工過程中，模擬各步序得到的水平和垂直變形云圖分別如圖4 和圖5 所示，土體的變形主要為水平位移變形和垂直方向的沉降變形。

圖4 模擬工序水平變形云圖

圖5 模擬工序垂直變形云圖

由圖4 可看出，基坑水平變形隨著基坑開挖深度出現偏向基坑側的位移變形，且當基坑開挖至基底時，水平變形達到最大值為-18.8mm。

由圖5 可看出，基坑土體垂直方向的變形主要是沉降，且主要集中在基坑中部的外側，向左右兩側逐漸減少，最大變形值為-3.5mm。坑底垂直變形為隆起，主要集中在中部，最大值為-4.7mm，主要與土體的卸載有關，導致了土體進行重力重分布。

4.3 模擬與監測對比分析

選取基坑北側、南側、西側若干監測點的數據，與模擬數據進行對比（見表3），可以看出現場監測的水平與豎直累計位移量均在合理范圍內，且小于數值模擬的位移值，說明該基坑放坡+掛網噴漿的支護方案選取合理。

表3 模擬與監測位移對比

5 結論

本文利用ANYSYS有限元軟件建立的三維模型，直觀展示了基坑支護結構的位移變化，通過模擬的變形數據與監測數據進行對比分析，數值模擬與監測值的誤差均較小，且變化范圍基本一致，說明模型的設置以及支護方式的選擇均合理，有限元模擬可在一定程度上為基坑支護方式的選擇與設計提供參考依據。由于土體的復雜性以及假定計算條件與實際工況會存在差異，所以在整個模擬過程中還應根據監測結果反向改進模擬參數的設置。