深基坑开挖监测与数值模拟

深基坑开挖监测与数值模拟李思慧 刘海卿摘要：为掌握深基坑支护变形监测规律，确保基坑工程的稳定性与安全性，以阜新市鑫 亚国际酒店基坑工程为研究背景，利用有限元软件 ADINA 模拟基坑开挖过程中位移变化特 征，并与实测数据进行对比分析.研究结果表明：锚杆长度、嵌固土层厚度和基坑周围环境 是基坑支护变形的主要因素；通过实测值与模拟值的对比，两者变形趋势和曲线形状比较吻 合，该模拟方法可为同种工程条件和支护形式下深基坑工程的监测提供参考.关键词：深基坑；支护结构；监测分析；基坑变形；数值分析近年来，大量的深基坑开挖都分布在城市中心建筑物比较密集的地区，附近会有很多相 邻建筑物、街道、地下管线、地下设施及地下水，造成深基坑工程施工条件较为复杂 1， 而且在施工过程中基坑内外土体应力状态的改变将会引起土体的变形，深基坑监测不仅可以 保证基坑支护和相邻建筑物的安全，验证支护结构设计，还可以指导基坑开挖和围护结构的 信息化施工，为完善设计分析提供必要的依据2-4.本文结合鑫亚国际酒店深基坑工程具体情况，结合现场监测数据，运用有限元软件对基坑进行模拟，将实测数据与模拟结 果进行对比分析，总结基坑在开挖过程中土体与支护结构的变形规律.1 工程概况i.i 工程条件该工程位于阜新市经济开发区内，北临高速公路，南侧和西侧分别有相邻建筑物，东侧 为广场.基坑开挖面积约为15442m2，基坑周长604m,开挖深度11.8m,局部13m.场地内施工 前达到地势平坦，无明显高差的要求.本工程地段繁华，施工条件受限制，开挖较深，降水 深度大，土方量大，施工面狭窄，对技术的要求比较高.1.2 工程的地质及水文地质条件本场地分布范围内主要以杂填土、粉土、细砂、砾砂等为主.各层土的物理力学性能指 标见表1.场地地下水主要为孔隙潜水，稳定水位埋深2.202.90m.地下水补给源主要为大气降水及临近场地补给.本场地分布范围内主要以杂填土、粉土、细砂、砾砂等为主.各层土的物理力学性能指 标见表1.场地地下水主要为孔隙潜水，稳定水位埋深2.20土层参数值土层名称层厚/m重度/(kN-m3)粘聚力/kN内摩擦角/( )变形模量/MPa压缩模量/MPa杂填土1.50 1.8018.516.0016.311.004.6粉土1.90 3.2018.020.4321.714.004.6细砂3.00 5.3018.6023.226.00砾砂5.30 7.5019.0028.435.00中粗砂7.50 13.7018.5020.65.772 基坑支护与监测变形分析2.1 基坑支护方式设计根据该工程地质条件和环境条件的考虑 .基坑支护结构采用混凝土灌注桩+锚索结构体 系，锚索设置2排，锚索与水平方向夹角为15，水平间距1200mm，一粧一锚.上层锚索 米用2根70钢绞线;下层锚索采用3根70钢绞线.围檩采用钢梁.灌注粧总长14.300m，入土 深度为2.5m.粧顶设置钢筋混凝土冠梁，混凝土采用C30级材料属性设置参数表 2 支护结构材料属性设置参数 Tab.2supportingstructurematerialattributesetparameters材料弹性模量 T03/MPa容重产103/(kg-m-3)泊松比混凝土 22.500.2锚杆 207.850.32.2 监测项目与监测点的布置情况基坑类别为一级，为了确保围护结构施工安全，必须对整个基坑施工过程进行监测.根 据实际工程需要，本工程监测项目有支护粧水平位移监测，支护粧竖直位移监测和支护粧粧 顶水平位移监测.监测点的布置见图1.2.3 监测数据分析监测数据的记录是从基坑开挖4月8日开始至6月1 1曰.(1) 基坑的支护粧水平位移监测分析：从图2中可以看出，CX-1、CX-2监测点的粧身变 形量比较大，其原因在于CX-1监测点位于整个基坑最长边的中间位置且两个监测点附近都 有相邻建筑物，所以两个观测点粧身变形量较大是符合开挖标准的.其中冠梁约束力较大， 控制了支护结构的变形.而对于 CX-3、 CX-4 所监测出的数据可以看出，粧顶的水平位移变化 比较大而且变形不是很连续.分析原因在于两个观测点周围场地空余，用于车辆行(d)CX-4监测点图2支护粧水平位移0246101214粧身水平位移/mm5101520(a) CX-1 监测点粧身水平位移/mm5101520(b) CX-2 监测点粧身水平位移/mm(c) CX-3 监测点粧身水平位移/mm5101520率较大，后期进行锚杆施工后粧顶位移变化趋于水平.说明锚杆对支护粧的变形起到有 效的约束作用.从图 4 中看出，开挖初期支护粧竖向位移变形较大，其变形速度也很快，在 施工末期，土体卸载引起基坑回弹，支护粧出现了上浮现象.!W1W2W3-W4.W5W6 屮 W7W8W9W10W11- W12W13图 3 支护粧粧顶水平位移 Fig.3supportingpiletophorizontaldisplacement!W1.W2W3vW4.W5W6W1十 W8W9十 W10W11- W12W13图 4 支护粧竖向位移 Fig.4retainingpileverticaldisplacement(3)监测数据总体总结与分析 从分析内容上看，该基坑变形的规律有5-6: 未进行锚杆施工时，位移变形较为明显，但支护后变形量明显减小说明支护结构能 有效地控制变形量. CX-1、CX-2的支护粧水平位移量要大于CX-3、CX-4的位移变形量，说明基坑周围的 建筑物和基坑的尺寸对基坑变形产生了影响. 在施工末期个别支护粧出现了上浮现象，主要因为土体的卸载导致基坑的回弹 在基坑完工后，支护粧的竖向继续下沉，但下沉的速率缓慢主要的原因是土体卸载、 降雨和基监测曰期监测曰期4-84-165-65-276-11驶和堆放建筑材料，造成对监测结果的影响.从数据（2）支护粧粧顶水平位移和支护粧 竖直位移中可看出CX-3中第一个锚杆的作用较为明显，而监测分析：从图3中可以看出，开挖 初期位移变化262871A1111110A11月月月月月月月月曰曰曰曰曰曰曰曰262871001111110T1月月月月月月月月-J.I-I-Ix!田o246Q曰曰曰曰曰曰262871001111110T1月月月月月月月月曰曰曰曰曰曰曰曰262871001111110T1月月月月月月月月坑周边环境引起基坑的位移进一步增大.3 开挖过程的数值模拟分析近，模拟结果较理想10.总之，模拟数值、实测数据与实际施工情况相符合，所以本模 拟选择的本构模型、土体及结构参数的设置是合理的.3.1 模型简介及参数设置本工程采用二维平面模型进行模拟，模型尺寸为150mx45m.基坑开挖深度设置为11.8m. 约束设置为左右约束r向自由度，底边约束Z向自由度运用生死单元设置开挖步骤依据实际 施工情况分成三次开挖，先布桩，然后边挖边支护.根据实际情况模型土体划分成三部分.所 以其中桩体用混凝土墙模拟，土体用摩尔库伦材料模型，锚杆运用桁架线弹性单元模拟7-8. 运用表一和表二设置各项土体参数和各材料属性.模型见图 59Fig.5finiteelementmodel3.2 基坑开挖的工况设置按照施工顺序，该工程分为以下6个阶段：工况一：基坑开挖至4.5m深；工况二： 在标高为-4.5m处设置第一道锚杆；工况三:等到锚杆设置完毕且应力达到设计标准后，继 续开挖至6.5m深处；工况四：在标高为-6.5m处设置第二道锚杆；工况五：继续等到 锚杆的应力达到设计标准后，挖至11.8m深处；工况六：基坑施工完毕按照施工工序， 进行施工数值模拟，更能精准的反应施工过程中基坑变形的真实情况.3.3 模拟结果与监测结果的对比及分析模拟结果与实测数据对比选取监测方案中监测点CX-2与本模型的模拟结果做分析， 数值模拟结果见图6?图11.从模拟值与实测值曲线图可以看出其变形趋势及曲线形状基本吻 合，每个工况的极值点位置及最值基本接图 6 工况一位移 Fig.6step1displacement图 7 工况二位移 Fig.7step2displacement-0.005-0.010-0.015粧身水平位移/m图8工况三位移Fig.8step3displacement-0.020图 11 工况六位移值比较 Fig.11step6displacement在实际监测过程中，因为施工所以并未对基坑底部隆起进行监测.但通过数值模拟见图 12的结果可以看出坑底的最大隆起量在9mm,在浇筑底板后，最大隆起值变为8.2mm.说明 浇筑底板对基坑底部隆起起到了一定的抑制作用.辽宁工程技术大学(自然科学版)网址：http:/20-0.005-0.010-0.015-0.020粧身水平位移/m图 9 工况四位移 Fig.9step4displacement粧身水平位移/m图10工况五位移值Fig.10step5displacement图 12 应力(2) 数值模拟结果分析模拟值要普遍小于实际测量值.因为在实际施工过程中受到降雨、车辆行驶和堆放材料 等因素影响，会使实际支护粧变形量变大，在模拟过程中没有考虑到这些方面的因素，因此 会产生一些误差.锚杆有效地控制了支护粧位移变化.在完成第二次开挖后，基坑变形继续增大，该时段 的最大位移在粧身的4m处，然后开始有向反方向发展的趋势，说明第一*只锚杆起了作用. 在基坑施工完后，最大的位移达到12.5mm,距离地面6.5m处.在距离地面7m处水平位移 量开始减小，说明第二个锚杆起了作用，控制了支护粧的水平位移的变化.随着基坑的开挖，支护粧粧身变形的最大值逐渐增大并向下移动.基坑开挖结束后，数 值模拟结果中粧身在土体中的部分能够起到良好的嵌固作用，而实测中粧身嵌固部分也发生 一定程度的变形.这主要是因为场地部分区域的岩层距离地面较浅，支护粧没有到达设计长 度，削弱了嵌固层作用，所以产生了一定的变形.4 结论(1) 运用 ADINA 有限元软件建立二维有限元模型与实际工程相结合，通过计算机计算， 得出模拟结果与实测数据基本吻合.(2) 基坑开挖过程中，锚杆长度和嵌固土层厚度是控制支护粧变形的因素.在以后设计和 施工的过程中要注意嵌固土层的厚度、锚杆的长度和冠梁的使用，尽量使基坑不要出现较大 变形，防止基坑事故发生.(3) 该基坑工程在施工上采用分步分段开挖，较好的控制了基坑变形.通过实测数据，看 出在实际工程中建筑材料的堆放、行车路线的规划都未进行合理设计，对基坑变形产生一定 影响，即在局部设计上还略显不足.参考文献：1郑艳，麻风海，金鑫地铁车站深基坑施工中的变形监测研究J.辽宁工程技术大学学 报(自然科学版)， 2012,31(2):149-154.ZHENGYan，MAFenghai，JINXin.Studyandmonitoringondeformationduringdeepfoundationpitconstructionforsubwaystation J.JoumalofLiaoningTechnicalUniversity(NaturalScience)，2012,31(2):149-154.李四维，高华东,杨铁灯深基坑开挖现场监测与数值模拟分析J.岩土工程学报,2011, 33(8):284-291.LISiwei ， GAOHuadong ，YANGTiedeng.MonitoringandnumericalanalysisofadeepfoundationpitJ.ChineseJournalofGeotech nicalEngineering, 2011， 33(8):284-291.樊胜军，胡长明，刘振江某深基坑施工期围护结构变形监测与数值模拟分析J.施工 技术, 2010,39(9):82-84.FANShengjun，HUChangming，LIUZhenjiang.Deformationmonitoringandnumericalanalysisofadeepfoundationexcavationsupporti nconstructionJ.ConstructionTechnology， 2010,39(9):82-84.4 陈宏东，都华，冯林平，等深挖填土基坑监测及安全性分析J.广西大学学报(自然科 学版)， 2010， 35(2)204-209.CHENHong，DONGHua，FENGLinping，etal.DigfillfoundationpitmonitoringandsafetyanalysisJ.JournalofGuangxiUniversity(NaturalScienc eEdition)， 2010,35(2):204-209.建筑基坑工程监测技术规范:GB50497-2009S.北京:国计划出版社，2009.6 中华人民共和国国家标准.建筑边坡工程技术规范:GB50330-2002 S.北京:中国建筑工 业出版社， 2002.7宋广，宋二祥基坑开挖数值模拟中土体本构模型的选取J.工程力学，2014， 5(5):86-94.SONGGuang，SONGErxiang.NumericalsimulationofexcavationsoilconstitutivemodelselectionJ.Engineeringmec hanics， 2014， 12(5):86-94.8POTTSDM ， AXELESSONK ， GRANDL ， etal ， GuidelinesfortheuseofadvancednumericalanalysisM.London:ThomasTelford， 2002.王洪德，崔铁军，马云东深基坑施工过程仿真及地表沉降量验证J.辽宁工程技术大 学学报(自然科学版)， 2012， 31(6):810-813.WANGHongde，CUITiejun，MAYundong.Simulationofdeepexcavationprocessandverificationanalysisofgroundsurfacesettleme ntJ.JournalofLiaoningTechnicalUniversity(NaturalScience)， 2012,31(6)810-813.10王洪德，秦玉宾，崔铁军，等深基坑围护结构变形远程监测预警系统J.辽宁工程 技术大学学报(自然科学版)， 2013,32(1):14-18.WANGHongde ，QINYubin ，CUITeijun ，etal.Long-distancemonitoringandearly-warningsystemforsupportstructuredeformationatdeepfou ndationpitJ.JournalofLiaoningTechnicalUniversity(NaturalScience)， 2013， 32(1):14-18.辽宁工程技术大学(自然科学版)网址：http:/202.199.224.158/