鄭 華

（溫州理工學(xué)院，浙江 溫州325000）

0 引 言

近幾十年來，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，基坑工程越來越普遍，深基坑工程也向著場(chǎng)地情況更復(fù)雜的方向探索。我國(guó)基坑的理論研究已經(jīng)日趨完善，但是近幾年來，隨著國(guó)家轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，一大批傳統(tǒng)行業(yè)開始調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式，隨之衍生了一批填埋基坑工程，對(duì)基坑施工條件與限制也更加嚴(yán)格，對(duì)基坑工程的變形控制也提出了新的要求。由于填埋土的存在，使得深基坑工程變得更為復(fù)雜，為深基坑工程增加了新的難題和新的挑戰(zhàn)，為此一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。

Bjarngard AB 和Edgers L［1］分析了垃圾土的沉降問題。何艷平［2］對(duì)垃圾填埋土基坑的支護(hù)采取打入花管與高壓注漿相結(jié)合的方案，而且將土釘抗拔試驗(yàn)得到的結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，再結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最后認(rèn)為該支護(hù)方案達(dá)到了良好的支護(hù)效果。Kavazanjian SJ，Matasovi N 等［3］依據(jù)垃圾土初始密度以及壓縮量，得到垃圾土的重力密度隨埋深的變化而變化的關(guān)系曲線。楊光華等［4］闡述了在雜填土地質(zhì)條件下采用新型的支護(hù)方法成功的一些案例，如雙排樁支護(hù)、蓋挖法和中心島法等。魏科豐等［5］以某雜填土基坑工程為例，對(duì)該基坑采用五種支護(hù)形式進(jìn)行對(duì)比，得出了對(duì)以后類似工程有參考價(jià)值的結(jié)論。張立等［6］以某回填土場(chǎng)地基坑為例，對(duì)基坑施工中樁錨支護(hù)的頂部水平位移、沉降以及深層的土體水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并且詳細(xì)分析了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。任俊等［7］分析了許多基坑工程事故，并且總結(jié)了雜填土基坑中的樁錨支護(hù)，對(duì)基坑工程發(fā)生事故的原因進(jìn)行了詳細(xì)研究。孟云偉，汪洋［8］全面闡述了垃圾土的沉降特性、滲透性以及抗剪強(qiáng)度，分析了沉降模型中所取參數(shù)存在的缺點(diǎn)，抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨時(shí)間變化而變化。

從以上前人的研究成果可知，關(guān)于填埋基坑問題的研究還處于初級(jí)階段，因此亟需對(duì)類似場(chǎng)地的基坑開挖與支護(hù)造成的基坑變形規(guī)律進(jìn)行研究。本文以某填埋基坑工程項(xiàng)目為依托，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，研究填埋基坑工程的各項(xiàng)變形規(guī)律，以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證數(shù)值模型，佐證數(shù)值模擬的可行性及影響場(chǎng)地安全穩(wěn)定性的影響要素分析。

1 工程概況

某工程基坑面積達(dá)到61 000 m2，開挖深度10.15 ～11.6 m，基坑面積大，開挖深度較深?；铀趨^(qū)域內(nèi)大量丘陵地貌分布，整體丘陵海拔較低，東部較西部較低，該區(qū)域的地震基本烈度是7度，地層巖性分布均勻且厚度相差不大，工程地質(zhì)條件良好。（見圖1）。

在本工程中，采用綜合分析法分析各種不同施工作法的優(yōu)缺點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外工程案例實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定基坑場(chǎng)地中心島區(qū)域采用順作法；待中心島區(qū)域施工至地下一層頂板，然后順作場(chǎng)地基坑周邊區(qū)域，臨時(shí)支撐結(jié)合中心區(qū)域地下結(jié)構(gòu)梁板作為支撐構(gòu)件。根據(jù)具體施工情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)并根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建立動(dòng)態(tài)信息反饋機(jī)制，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及合理安排施工順序。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

由于基坑實(shí)際施工中，施工現(xiàn)場(chǎng)具體施工情況和設(shè)計(jì)施工方案不可避免存在誤差，在施工過程中對(duì)于監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)尤為重要。在實(shí)際施工中監(jiān)測(cè)基坑變形，應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋機(jī)制以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，為基坑施工提供參考，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，同時(shí)預(yù)測(cè)基坑變形趨勢(shì)。

本文依托填埋基坑工程，根據(jù)設(shè)計(jì)方案及實(shí)際情況，選定最終的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，最后由獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析該工程的變形特征。本場(chǎng)地工程基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有：場(chǎng)地基坑的周邊道路沉降、場(chǎng)地圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、支撐軸力監(jiān)測(cè)等，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及控制值（見表1）。

表1監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及控制值

研究區(qū)域以基坑工程需求為出發(fā)點(diǎn)，遵循監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置原則，分別布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)、測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)、支撐監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，布設(shè)各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的基準(zhǔn)點(diǎn)，做好水平對(duì)照分析，依照相關(guān)要求，按照監(jiān)測(cè)頻率收集各個(gè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，匯總分析得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)（見圖2）。

本場(chǎng)地基坑工程開挖周期長(zhǎng)，從基坑1 月19日開挖到8 月13 日最后一層土方開挖結(jié)束，歷時(shí)7個(gè)多月。在此時(shí)間周期內(nèi)，基坑的變形監(jiān)測(cè)尤為重要，不僅對(duì)工程施工以及方案調(diào)整和設(shè)計(jì)具有重要意義，而且在施工中對(duì)基坑變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的建立。為了把握整體施工進(jìn)度和施工方案的實(shí)施情況，更好地分析設(shè)計(jì)方案的實(shí)施效果，在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)基坑的變形特征變化，采用科學(xué)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，收集各個(gè)工況時(shí)間段下，不同深度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出變形曲線圖，分析研究區(qū)場(chǎng)地內(nèi)填埋基坑的變形特征。

3 數(shù)值模擬

本文基于場(chǎng)地特性及工程施工設(shè)計(jì)方案，利用FLAC3D 有限差分軟件，模擬計(jì)算工程模型，模擬不同工況下的場(chǎng)地基坑土層的開挖以及內(nèi)支撐的架設(shè)，研究模型的響應(yīng)特性以及模型變形特征，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為驗(yàn)證對(duì)象，分析其模型的響應(yīng)和準(zhǔn)確性。

3.1 模型的建立

根據(jù)場(chǎng)地基坑開挖施工方案設(shè)計(jì)，采用選定基坑尺寸為長(zhǎng)270 m，寬200 m，開挖面深度11.6 m，由邊界效應(yīng)，選定基坑開挖深度的2 ～3 倍為場(chǎng)地的影響區(qū)域，故選定模型尺寸為670 m × 500 m ×52 m。由于成拱效應(yīng)的存在，研究計(jì)算時(shí)將實(shí)際場(chǎng)地施工中的各種灌注樁、止水帷幕等效為連續(xù)的地下連續(xù)墻進(jìn)行計(jì)算分析。本場(chǎng)地基坑采用直徑D=950 mm 的鉆孔灌注樁，樁間距d =1 150 m，設(shè)等效連續(xù)墻厚度為h，可由式（1）計(jì)算：

得到h=747 mm，所以把鉆孔灌注樁、止水帷幕等效為厚度750 mm 的地下連續(xù)墻進(jìn)行計(jì)算。基坑模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如下所示（見圖3）。

3.2 土體參數(shù)確定

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)方案，計(jì)算模型建立和選取的本構(gòu)模型需要的土體參數(shù)，以及勘察報(bào)告中土層的分布情況及各土層參數(shù)，選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù)。為了方便模擬計(jì)算，在模型計(jì)算中將土層劃分為4 層，各層土體參數(shù)如下所示（見表2）。

表2土體參數(shù)

基坑的圍護(hù)樁、冠梁等結(jié)構(gòu)均采用強(qiáng)度為C30的混凝土，等效為0.75 m厚的地下連續(xù)墻，彈性模量取30 GPa，泊松比為0.30，密度為2 500 kg/m3。而模型中地連墻已經(jīng)等效止水帷幕的作用，基坑中開挖底面是第二層粘土層為不透水層，故而本文研究過程中在基坑抽水后，不考慮滲流作用對(duì)基坑變形的影響。

3.3 模擬工況

本工程按照分布開挖支護(hù)的順序進(jìn)行施工，為了模型中的整體計(jì)算分析，在模型計(jì)算中把鋼結(jié)構(gòu)的架設(shè)作為基坑分布開挖的標(biāo)志。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)單分為3 個(gè)工況進(jìn)行模擬計(jì)算，具體如下：

（1）工況一：施工地下連續(xù)墻，第一層開挖，開挖面值1.4 m深，在0.9 m處架設(shè)第一道鋼支撐。

（2）工況二：第二層開挖，開挖面至7.15 m深，在6.65 m處架設(shè)第二道鋼支撐。

（3）工況三：第三次開挖，開挖面至設(shè)計(jì)基底即11.6 m深。基底驗(yàn)槽，驗(yàn)收合格后澆筑封底。

4 模型驗(yàn)證對(duì)比分析

通過基于工程場(chǎng)地條件、工程需要等建立的工程模型得到的模擬結(jié)果與場(chǎng)地基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證分析，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確性和響應(yīng)。

4.1 地連墻水平位移對(duì)比分析

為了直觀地分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的差異，選取兩邊位移量最大的具有代表性監(jiān)測(cè)點(diǎn)（CX23和CX14）數(shù)據(jù)，繪制地連墻水平位移隨深度變化的對(duì)比曲線（見圖4）。

由圖4 可知，模擬曲線的變形趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線變形趨勢(shì)基本相同，但是不同方向的模擬數(shù)值均比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大。在X 方向上，模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大位移值分別為222.71 mm 和201.77 mm，出現(xiàn)的位置分別為管口以下13 m 左右和11 m 處；在Y 方向上，模擬計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大位移值分別為53.43 mm 和34.68 mm，出現(xiàn)的位置分別為管口以下3 m 左右和2 m 處。從上述分析可知，實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果和模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果變形趨勢(shì)相同，變相量相差不大，而模擬計(jì)算變形量比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大；主要原因是隨著基坑開挖，在第一層開挖結(jié)束后支護(hù)與第二層開挖之間有很長(zhǎng)的施工周期，對(duì)基坑有明顯的時(shí)空效應(yīng)。實(shí)際基坑施工中，有許多其他不可避免的因素，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)也與實(shí)際位移存在誤差，同時(shí)在數(shù)值模擬計(jì)算中，模型的建立與實(shí)際還是有差別的，加上模擬中的地層參數(shù)與實(shí)際有差別，并且其開挖方式也有不同，這些一系列的問題導(dǎo)致模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值之間會(huì)存在差異。但是從位移變化趨勢(shì)可知，模擬結(jié)果可以擬合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為基坑施工以及預(yù)警提供參考。

4.2 基坑周邊地表沉降對(duì)比分析

為了更好地研究計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和場(chǎng)地基坑周邊沉降的變化趨勢(shì)，選取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中的場(chǎng)地基坑周邊沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與工程模型中的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果相互驗(yàn)證分析，與計(jì)算模型沉降趨勢(shì)圖對(duì)比分析差異性?；映两惮F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和模擬結(jié)果數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)圖如下所示（見圖5）。

由圖5 可知，實(shí)測(cè)與模擬的距基坑邊緣離沉降量變化曲線趨勢(shì)接近，總體隨著距離的增加沉降量也隨之增加，但是達(dá)到10 m左右時(shí)沉降量達(dá)到最大值；此時(shí)，隨著距離的繼續(xù)增加，沉降量開始減少，到距離30 m處沉降量變得很小且逐漸穩(wěn)定，通過分析得出基坑的沉降影響區(qū)域在30 m左右，其地表沉降量最大值在距基坑邊緣10 m處。模擬和實(shí)測(cè)的沉降量最大值分別為163.97 mm和173.80 mm，實(shí)測(cè)比模擬數(shù)值大，原因是：在實(shí)際工程中，周邊地表區(qū)域施工中，各種大型機(jī)械會(huì)增加地表上的豎向荷載，場(chǎng)地基坑工程施工過程中，整體穩(wěn)定平衡狀態(tài)遭到破壞，造成場(chǎng)地的變形破壞；而模擬計(jì)算則表現(xiàn)為一種不受現(xiàn)場(chǎng)施工干擾的比較理想的施工狀態(tài)；因此同時(shí)在大型機(jī)械以及周圍地表建筑物的額外荷載作用下，實(shí)測(cè)得到的沉降量大于模擬得到的沉降量。

4.3 支撐軸力對(duì)比分析

以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為分析對(duì)象，通過監(jiān)測(cè)軸力數(shù)據(jù)與基于工程模型模擬的支撐軸力數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，研究施工過程中的場(chǎng)地軸力變化以及模型的響應(yīng)準(zhǔn)確性（見圖6）。

由圖6 可知，支撐軸力模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)大致相符，但是在28 測(cè)次之后模擬計(jì)算結(jié)果開始突然增大，比實(shí)測(cè)軸力大1 000 kN左右。這是由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)得到的，而在現(xiàn)場(chǎng)施工中，除了內(nèi)支撐架設(shè)，還有內(nèi)部借助地下室做臨時(shí)支撐，所以其實(shí)測(cè)鋼支撐的軸力比較??；而模擬計(jì)算中地下室臨時(shí)支撐沒有算在內(nèi)支撐中，所以其計(jì)算結(jié)果偏大。

4.4 基坑變形特征變化規(guī)律分析

研究區(qū)域填埋基坑在經(jīng)過分層開挖以及支護(hù)后，破壞了整體的平衡穩(wěn)定性，同時(shí)基坑的圍護(hù)結(jié)果以及周邊地表發(fā)生變形；此外，基坑支撐軸力變化也隨著基坑的開挖而發(fā)生變化，通過驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可研究各項(xiàng)變形特征的變化規(guī)律。

4.4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

不同工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖以及支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖如下所示（見圖7、圖8）。通過對(duì)比分析可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形隨著基坑開挖的進(jìn)行不斷增大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示研究區(qū)域內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形主要有兩種：一種是“喇叭狀”變形特征，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移值出現(xiàn)位置分別為管口以下2 m 處和地連墻的上部，且二者的最大變形值接近。另一種是“紡錘狀”，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬計(jì)算中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移值出現(xiàn)位置分別為管口以下11 m 處和地連墻的中部，在模擬和監(jiān)測(cè)中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部和基坑底部以及位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形很小，而模型可以很好地驗(yàn)證其變形規(guī)律。靠近內(nèi)支撐位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形通過監(jiān)測(cè)以及模型驗(yàn)證，其變形規(guī)律為管口下出現(xiàn)最大值，且其變形值較小，至圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部，其位移基本為零，屬前傾式變形模式；而處在基坑中部位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，其監(jiān)測(cè)與模擬的最大值均出現(xiàn)在圍護(hù)中段位置，且到底部其圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形值基本歸零，模型驗(yàn)證良好，屬深埋式變形模式。

4.4.2 基坑周邊地表沉降變化規(guī)律分析

不同工況下的基坑周邊地表沉降位移云圖及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖如下所示（見圖9、圖10）。通過對(duì)比分析可知，周邊地表沉降隨著基坑開挖的進(jìn)行而不斷變化，坑底隆起也隨之發(fā)生改變。由于基坑開挖面積過大且是類正方向基坑，其坑底隆起隨著基坑土體的開挖，其隆起量由開挖初期的坑底的中部大、兩邊小，隨著基坑開挖到基底逐步演變?yōu)橹虚g小、四周大的隆起狀態(tài)，符合深大基坑的隆起變形規(guī)律。而沉降是一直隨著開挖面的降低而變化的，到開挖至基坑底部其沉降逐漸趨于穩(wěn)定，在開挖過程中，其沉降受多種因素影響，包括時(shí)空效應(yīng)、降雨、周邊荷載、二次開挖等影響。通過模型驗(yàn)證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出其基坑周邊沉降與基坑開挖及距離基坑開挖邊緣距離的關(guān)系。

5 結(jié) 論

本文以某填埋基坑工程為依托工程，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對(duì)基坑變形特征及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)基坑土體、支撐條件以及工程需要等條件，建立符合工程實(shí)際以及工程施工設(shè)計(jì)方案的工程模型，模擬分析不同工況下的基坑變形，分析其變形規(guī)律，進(jìn)而與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證，分析模型的響應(yīng)準(zhǔn)確性以及場(chǎng)地基坑變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)基坑變形現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，隨著土方開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移不斷增大，靠近支撐一邊的變形特征呈“喇叭狀”；而在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的中部位置，變形呈“紡錘形”；基坑周邊地表沉降，隨開挖深度的增加不斷增加，空間上呈“類拋物線型”；支撐軸力突發(fā)性增大，但總體保持穩(wěn)定。

（2）通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析可知，模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果大致相符，變形趨勢(shì)大體一致，表明運(yùn)用FLAC3D 模擬填埋場(chǎng)地基坑工程開挖施工基本可行，也證明了數(shù)值模擬的科學(xué)性，可為類似場(chǎng)地基坑工程積累經(jīng)驗(yàn)。

（3）在模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比中，在地連墻水平位移和支持軸力方面，分別由于施工時(shí)空效應(yīng)和地下室臨時(shí)支撐等原因使得模擬結(jié)果大于監(jiān)測(cè)結(jié)果；而在基坑周邊地表沉降方面，由于實(shí)際施工存在大型機(jī)械與周圍建筑物的額外荷載作用使得監(jiān)測(cè)結(jié)果大于模擬結(jié)果，以上存在的差異及發(fā)生原因，是今后相關(guān)基坑工程數(shù)值模擬需要重視并且加以改進(jìn)的方面，但這些差異在目前情況下屬于可接受范圍內(nèi)，依然可以指導(dǎo)類似工程施工。