郭抗美，陳亞楠

( 河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401)

伴隨城市建設(shè)的發(fā)展，三維城市空間開發(fā)的要求日益提高，基坑工程的數(shù)量也隨之顯著增加，與此同時(shí)基坑工程的深度逐漸向更深更復(fù)雜[1]的方向發(fā)展。基坑工程是臨時(shí)性結(jié)構(gòu)擁有不同于其他結(jié)構(gòu)的特殊性，隨著基坑開挖深度的增加，對(duì)于基坑工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)及理論研究應(yīng)更加重視[2]。當(dāng)基坑土體開挖進(jìn)行時(shí)，基坑土體在一定范圍內(nèi)受到擾動(dòng)[3]，導(dǎo)致土層應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而影響基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊地表及附近建筑物甚至降低建筑物安全性[4]，監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展對(duì)指導(dǎo)施工提供依據(jù)[5]。目前，關(guān)于深基坑變形特性方面的研究已有大量報(bào)道。研究表明開挖變形是多種因素共同作用，數(shù)值模擬可以有效地解決該類問題[6],數(shù)值模擬的關(guān)鍵在于對(duì)本構(gòu)模型[7]的選取。楊宏等[8]利用有限差分軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行仿真分析，得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性及基坑內(nèi)外土體豎向變形規(guī)律。劉岱熹[9]利用FLAC3D數(shù)值模擬分析表明,圍護(hù)樁變形最大的位置位于基坑開挖部分的中下部，最大水平位移發(fā)生在樁頂。陳小巍[10]依托實(shí)際工程結(jié)合理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬等方法，發(fā)現(xiàn)內(nèi)支撐的設(shè)置對(duì)支護(hù)墻水平位移及基坑周圍地表沉降有明顯減小作用。王曉楠等[11]對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形存在問題進(jìn)行了探討，并提出今后發(fā)展方向。

基于此，以特殊工程地質(zhì)條件的天津市某醫(yī)院大尺度深基坑為研究對(duì)象，對(duì)該醫(yī)院深基坑土方移除卸荷過程所得觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，并利用有限差分軟件對(duì)基坑開挖全過程進(jìn)行仿真模擬研究，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，分析該基坑開挖變形特性，得到預(yù)測(cè)最大側(cè)向位移的公式，并驗(yàn)證其合理性以期為日后類似基坑工程的可靠性設(shè)計(jì)和安全開挖提供參考依據(jù)。

1 工程概況

擬建物位于天津市濱海新區(qū)，主體結(jié)構(gòu)高度約為22 m的急診樓及10 m基礎(chǔ)埋深的地下車庫，基坑兩側(cè)分別為一棟三層、六層建筑物，建筑物人口密集、環(huán)境復(fù)雜。實(shí)際基坑的大小取為長(zhǎng)邊125.4 m,短邊為100.6 m，基坑近似為一個(gè)正方形。天津市大尺度深基坑工程開挖深度為10.9 m,現(xiàn)場(chǎng)地坪標(biāo)高約為建筑標(biāo)高-1.00 m。

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)方案

支護(hù)形式為鉆孔灌注樁加混凝土內(nèi)支撐，止水帷幕采用深層水泥土攪拌樁?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Section drawing of foundation pit supporting structure

為確?；庸こ淌┕ぐ踩谏罨邮┕み^程中采取科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)方案。根據(jù)文獻(xiàn)[12]對(duì)深基坑進(jìn)行合理監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置如表1所示。

3 深基坑工程數(shù)值模擬

3.1 材料的本構(gòu)模型

數(shù)值模擬時(shí)盡可能建立合理模型并得出可靠結(jié)論，在選擇本構(gòu)模型時(shí)應(yīng)著重考慮與材料力學(xué)特性契合度較為貼切的本構(gòu)模型，應(yīng)用FLAC 3D中Null實(shí)現(xiàn)土方開挖過程的模擬實(shí)況，土體使用實(shí)體單元摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模擬土體的變化，模擬時(shí)土體介質(zhì)材料通過相應(yīng)的對(duì)比分析選擇非線性、彈塑性介質(zhì)材料，并在此基礎(chǔ)上得出可靠結(jié)論。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置Table 1 Monitoring items and point layout

3.2 深基坑數(shù)值模擬

3.2.1 模型參數(shù)與邊界條件

根據(jù)天津市該深基坑巖土工程勘察報(bào)告所提供的范圍內(nèi)相應(yīng)土層參數(shù)，將土體進(jìn)行簡(jiǎn)化劃分，如表2所示。

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Soil physical and mechanical parameters

對(duì)于天津市該深基坑模型所取邊界條件：地表位置未施加約束，模型底部則采用固接的方式[13]。

3.2.2 模擬工況

擬建物深基坑采取分層開挖方式，工況步驟如下。

(1)工況1(5月19日—6月3日)：在該工況下應(yīng)用零模型模擬基坑工程的實(shí)際開挖，開挖深度至-2.60 m。

(2)工況2(6月3日—7月31日)：在工況一的基礎(chǔ)上即開挖完成后施作混凝土內(nèi)支撐。

(3)工況3、4(7月31日—9月27日)：繼續(xù)開挖5.55 m；此后施作第二道混凝土內(nèi)支撐以及腰梁。

(4)工況5(9月27日—10月29日)：應(yīng)用空模型繼續(xù)開挖3.75 m直至基坑設(shè)計(jì)標(biāo)高。

為計(jì)算與模擬方便進(jìn)行，在進(jìn)行建模與計(jì)算時(shí)不考慮基坑開挖的時(shí)間，將基坑開挖過程等價(jià)為瞬時(shí)活動(dòng)。

3.2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

基坑所采用的圍護(hù)樁為鉆孔灌注樁，樁體直徑為1.0 m,樁間距為1.2 m,具體的計(jì)算參數(shù)如表3所示。深基坑工程中止水帷幕的主要參數(shù)如表4所示。

表3 排樁主要計(jì)算參數(shù)Table 3 Main calculation parameters of pile row

表4 止水帷幕主要計(jì)算參數(shù)Table 4 Main calculation parameters of water curtain

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 樁頂水平位移監(jiān)測(cè)

圍護(hù)樁各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中水平方向的位移是判別圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全狀況是否合乎要求的準(zhǔn)則之一，且其受基坑開挖支護(hù)過程中多種因素影響如基坑在實(shí)際工程中的施工順序、施工時(shí)采用相應(yīng)的工藝所產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)中5個(gè)具有一定程度特點(diǎn)并包含中部、陽角特殊點(diǎn)位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為WY1、WY4、WY7、WY9、WY11的各工況下樁頂水平位移變化如圖2所示[14]。

圖2 樁頂水平位移變化Fig.2 Horizontal displacement of pile top

向基坑內(nèi)位移為正，基坑外位移為負(fù)。在天津市該深基坑進(jìn)行開挖的過程中，基坑內(nèi)土體逐步卸荷，導(dǎo)致基坑內(nèi)外產(chǎn)生土壓力差，使基坑發(fā)生一定程度的偏移。由圖2可知，基坑工程樁頂水平位移變化趨勢(shì)整體呈上升狀態(tài)，在三次開挖進(jìn)行時(shí)均出現(xiàn)折點(diǎn)，因樁頂水平位移的變化受到內(nèi)支撐施加的影響，觀察水平位移曲線可得基坑施作內(nèi)支撐后位移量趨于穩(wěn)定狀態(tài)或減小，第二次開挖后曲線呈現(xiàn)與第一次開挖相同的變化趨勢(shì)，在第三次開挖時(shí)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移增長(zhǎng)速率最大，增長(zhǎng)最快的測(cè)點(diǎn)為WY9，其樁頂水平位移增長(zhǎng)速率為0.13 mm/d,在整個(gè)基坑開挖工作完成時(shí)，其最大樁頂水平位移值為9.12 m。圖像所示樁頂水平位移的最大值為4～9.5 mm上下浮動(dòng)，造成該現(xiàn)象的原因是位于不同部位的不同測(cè)點(diǎn)施工條件不盡相同。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)7經(jīng)過測(cè)量產(chǎn)生的最大樁頂水平位移值較其他相比最為突出，造成該現(xiàn)象的原因?yàn)榛又苓呏鲃?dòng)區(qū)土體在開挖卸荷后于水平方向產(chǎn)生的效果較為明顯。

4.2 土體深層水平位移監(jiān)測(cè)

在測(cè)斜管間隔0.5 m取一點(diǎn)觀測(cè)其深層水平位移變化，并選取具有一定代表性測(cè)點(diǎn)CX1，將監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析得到深度-位移變化關(guān)系的曲線圖，如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)CX1深度-位移變化曲線Fig.3 Measuring point CX1 depth-displacement curve

該深基坑工程在完成第一次開挖后因基坑內(nèi)土體的部分移除，導(dǎo)致基坑內(nèi)土體各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，土體的深層水平位移變化的特征表現(xiàn)為基坑頂部及底部變化較小中間部位變化較為明顯的 “鼓肚”型，當(dāng)施作第一道混凝土內(nèi)支撐后，深度-位移曲線呈現(xiàn)較大的變化，與工況一相比未施加支撐時(shí)變化曲線較為穩(wěn)定而施加支撐后呈現(xiàn)中部明顯增大的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生此類變化的原因是靠近基坑頂部位置混凝土內(nèi)支撐的施加阻止了基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力，在該道混凝土內(nèi)支撐的作用下，相應(yīng)部位土體位移受到了內(nèi)支撐的限制，且通過觀察位移圖伴隨著深基坑開挖和支撐的施作，最大水平位移發(fā)生的部位點(diǎn)也隨之下移。由圖3可知，基坑第一次開挖完成是CX1處土體最大水平位移為10.2 mm,其次開挖完成時(shí)CX1處土體最大水平位移為16.8 mm，最終開挖完成時(shí)CX1處土體最大水平位移為19.8 mm，分別增長(zhǎng)了64.7%、94.1%，說明基坑開挖對(duì)深層水平位移造成影響。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

5.1 樁頂位移模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

圖4所示為各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的樁頂水平位移模擬值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)值的對(duì)比圖，由圖4可知，兩種曲線變化趨勢(shì)大致相同，變化規(guī)律基本一致。因使用FLAC 3D軟件進(jìn)行理想狀態(tài)下的數(shù)值模擬，未考慮周圍建筑物的影響因此模擬值略大于實(shí)測(cè)值，兩曲線在數(shù)值上存在微小差距，說明該模型數(shù)值模擬結(jié)果較為合理。引起圍護(hù)樁頂部發(fā)生水平位移的原因：基坑進(jìn)行荷載的移除時(shí)使基坑內(nèi)土體的應(yīng)力發(fā)生變化及地下水的下降引起土體變化。由于本工程未考慮地下水相關(guān)問題因此基坑開挖引起土壓力變化。在5個(gè)工況中，基坑進(jìn)行3次開挖，每次開挖深度為1.6、5.55、3.75 m。對(duì)比圖4具體數(shù)據(jù)可知，工況1的開挖對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)4造成影響最大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移為2 mm,第二、第三次開挖對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)9引起位移變化量最為顯著，隨著開挖支護(hù)活動(dòng)的進(jìn)行對(duì)圍護(hù)樁頂水平位影響逐漸增大，對(duì)于水平增量并不顯著的工況說明所施加的內(nèi)支撐限制水平位移的增長(zhǎng)。

圖4 各工況下圍護(hù)樁頂水平位移實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.4 Comparison of measured and simulated horizontal displacement of pile top under various working conditions

5.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

由5種工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形模擬結(jié)果可知，在基坑的開挖與施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生向結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的位移。選取具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX04及CX09在工況3及工況5兩種情況下深層水平位移實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，對(duì)于不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下實(shí)測(cè)值與模擬值的曲線趨勢(shì)基本一致，整體曲線呈弓字形，在數(shù)值上略有不同。當(dāng)基坑開挖至8.15m和11.9 m時(shí)，深度為8 m上下的深層水平位移實(shí)測(cè)值與模擬值均達(dá)到峰值，在開挖至11.9 m時(shí)深度為8 m的實(shí)測(cè)值超過模擬值，深度為9～12 m處實(shí)測(cè)曲線呈現(xiàn)明顯減小的趨勢(shì)，而模擬值始終處于平緩下降趨勢(shì)。對(duì)于工況3即開挖深度為8.15 m兩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模擬值均較實(shí)測(cè)值偏大，造成該現(xiàn)象的原因可能由于計(jì)算中無法考慮,人為車輛、施工機(jī)械等影響使實(shí)測(cè)和計(jì)算結(jié)果有一定程度上的偏差，但兩者在數(shù)值上相差無幾，墻深8 m左右模擬與實(shí)測(cè)均達(dá)到最大值。開挖完成時(shí)，實(shí)測(cè)值與模擬值的最大水平位移24.52、21.02 mm，與開挖深度的比值為0.225%，0.193%，兩者均在監(jiān)控量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求40 mm范圍內(nèi)。

圖5 CX04、CX09土體深層水平位移值對(duì)比曲線Fig.5 Comparison curve of deep horizontal displacement of CX04、CX09 soil mass

工程進(jìn)行分析時(shí)雖忽略水的影響及時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑周圍土體以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，但模擬值與實(shí)測(cè)值較為貼切，呈現(xiàn)出變化規(guī)律貼合實(shí)際情況，能夠真實(shí)地反映出基坑開挖支護(hù)過程中的變化規(guī)律與特性，說明該深基坑工程數(shù)值模擬使可行的，可以進(jìn)行指導(dǎo)類似基坑工程施工。

5.3 土體深層水平位移預(yù)測(cè)

通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，根據(jù)開挖深度、最大沉降與最大側(cè)移的相關(guān)關(guān)系，擬定側(cè)移曲線預(yù)測(cè)方法，適用于開挖深度較大黏性土深基坑。

已知深基坑開挖深度H(單位：m)與最大沉降量，由式(1)推測(cè)最大側(cè)移值。

(1)

式(1)中：δvm為最大沉降值；δhm1為基于開挖深度H計(jì)算所得最大側(cè)移值,mm；δhm2為基于δvm計(jì)算所得最大側(cè)移值,mm；M為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取3.39 mm/m；N為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.43；δhm為綜合δhm1與δhm2的最大側(cè)移預(yù)測(cè)值,mm;λ1、λ2為相關(guān)系數(shù)[15]，且兩者之和為1，取λ1=0.45,λ2=0.55。

取CX04、CX09兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的深層位移曲線與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同工況下位移值對(duì)比Fig.6 Comparison of displacement values under different working

由圖6可知，在測(cè)點(diǎn)CX04及CX09處最大側(cè)移值在工況3與工況5兩種工況下，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、軟件模擬數(shù)據(jù)和公式計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可知理論值較實(shí)測(cè)值和模擬值除工況3中CX04外有一定吻合度，結(jié)果可作一定參考，最大漲幅41.1%，最小漲幅2.16%，肯定了預(yù)測(cè)最大側(cè)向位移公式的合理性，對(duì)以后工程實(shí)際預(yù)測(cè)最大側(cè)向位移有指導(dǎo)意義。

6 結(jié)論

對(duì)天津市某醫(yī)院深基坑工程變形模擬與監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，對(duì)該基坑的變形過程及分析情況有了較為全面的了解，表明模型的建立、本構(gòu)關(guān)系的選擇及參數(shù)的選取是合理的，為分析天津市軟土地區(qū)的基坑變形提供了重要的依據(jù)，現(xiàn)將研究的結(jié)論分述如下。

(1)將變形模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)該基坑的變形過程況有了較為全面的了解，表明模型的建立、本構(gòu)關(guān)系的選擇及參數(shù)的選取是合理的，模擬研究是切實(shí)可行的，根據(jù)模擬所得到的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果大致相符，滿足工程要求，為天津市軟土地區(qū)的地基變形提供了重要的依據(jù)。

(2)樁頂位移值的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可以及時(shí)的反映基坑在開挖支護(hù)過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的變形，并在基坑變形較為明顯或變形值到達(dá)預(yù)警值時(shí)有直觀的反饋確?；庸こ痰陌踩浴１净訕俄斔轿灰谱畲笾?.79 mm，在合理監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，因此該基坑在開挖支護(hù)過程中是安全、可靠的。

(3)隨著開挖工作的一步步深入進(jìn)行，本工程基坑內(nèi)土體的位移隨著深度增加，并且在一定的工況下?lián)碛写笾孪嗤纳顚游灰谱兓厔?shì)。

(4)隨著基坑開挖支護(hù)工作的進(jìn)行，沿基坑深度水平位移值發(fā)生變化移動(dòng)?；拥淖畲髠?cè)移值21.21、24.52 mm，對(duì)于呈現(xiàn)出的最大側(cè)移值滿足基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明所選取的支護(hù)結(jié)構(gòu)等措施可以較好地控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形；由理論計(jì)算可知理論值較實(shí)測(cè)值和模擬值偏大，最大漲幅41.1%，最小漲幅2.16%，得出預(yù)測(cè)最大側(cè)向位移公式的合理性，對(duì)以后工程實(shí)際預(yù)測(cè)最大側(cè)向位移有指導(dǎo)意義。

(5)對(duì)于數(shù)值模擬方法，雖在一定程度上可以模擬真實(shí)的施工環(huán)境與施工條件，但真實(shí)環(huán)境受到的影響因素往往是難以準(zhǔn)確估量的，因此在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)模擬參數(shù)與實(shí)際工程的種種條件存在差異，不可能完全相符，理論模型往往得到的結(jié)果是理想化的只能作為實(shí)際工程的參考，最終的規(guī)律結(jié)果還是要以實(shí)際工程作為主要參考依據(jù)，在兩者相互考慮結(jié)合的情況下，對(duì)未知的工程進(jìn)行預(yù)測(cè)及研究，以達(dá)到解決未來不同情況下的不同問題。