張超翔， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031)

城市建設(shè)中如雨后春筍般的高層建筑以及大型地下商場、地鐵車站等都廣泛采用了深基坑，基坑工程正向大面積、大深度方向發(fā)展[1]，深基坑工程穩(wěn)定性的計(jì)算理論和施工技術(shù)問題成為土木工程學(xué)術(shù)界的重大研究課題。胡中雄[2]闡述了上海泰興路某住宅大樓樁基工程的監(jiān)測和大型基坑施工經(jīng)驗(yàn)；曹庭校[3]以北京地鐵十號線某深基坑為例，總結(jié)了復(fù)合土釘支護(hù)的研究成果，采用了有限元和數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法，探討了深基坑復(fù)合土釘支護(hù)的應(yīng)用。羊逸君[4]依托北京地鐵15號線3標(biāo)段隧道深基坑工程，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和MIDAS/GTS軟件監(jiān)理三維數(shù)值模型，優(yōu)化了設(shè)計(jì)圖紙和降低了圍護(hù)樁的配筋；錢七虎[5]認(rèn)為中國城市地下空間開發(fā)迎來了高潮，基坑工程與監(jiān)測是施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。由于巖土工程地質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，以及深基坑工程一般施工工期長、開挖難度及對周圍環(huán)境影響較大[6]。徐至鈞[7]總結(jié)了深基礎(chǔ)與支護(hù)工程設(shè)計(jì)的施工經(jīng)驗(yàn)，為大型深基礎(chǔ)支護(hù)位移的控制提供了理論與實(shí)踐參考；沈國政等[8]采用Mindlin和Pasternak進(jìn)行建模，對深基坑開挖引起隧道位移進(jìn)行研究。奚家米等[9]運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對上海虹橋SOHO深基坑開挖進(jìn)行研究，有效降低了周邊建筑的影響；厲立兵等[10]提出了一種基坑降水的有限元計(jì)算方法，提高了基坑降水總涌水量計(jì)算的準(zhǔn)確性；葉帥華等[11]以蘭州市某復(fù)雜環(huán)境下深大基坑為例，結(jié)合Plaxis3D有限元軟件對基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬。張兵兵等[12]依托濟(jì)南歷下醫(yī)養(yǎng)結(jié)合中心項(xiàng)目，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，研究結(jié)果為基坑開挖對鄰近地鐵的影響提供了理論參考；徐宏增等[13]以杭州管廊基坑工程為研究背景，并運(yùn)用三維數(shù)值模擬，研究了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)下的基坑開挖對鄰近大直徑管線的影響，為類似施工提供了理論依據(jù)。

目前，基坑開挖對基坑土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍建筑物的受力、變形和穩(wěn)定性的影響及演變規(guī)律方面還沒有公認(rèn)準(zhǔn)確的本構(gòu)模型，也沒有精確的定量解析計(jì)算方法。在工程實(shí)踐中一般采取信息化施工，動態(tài)跟蹤基坑的開挖以及支護(hù)全過程，通常采用實(shí)時監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來綜合評價基坑支護(hù)穩(wěn)定性，是一種半理論、半經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法分析，尤其對在數(shù)值計(jì)算和開挖監(jiān)測數(shù)值方面普遍存在的偏差及造成原因方面缺乏深入分析研究。

因此，現(xiàn)依托安徽璀璨明珠商場深基坑工程，采用FLAC3D軟件對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過理論分析、現(xiàn)場實(shí)測和FLAC3D數(shù)值模擬對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，對比基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的位移實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的偏差，重點(diǎn)分析造成數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)方面存在偏差的主要原因，從而為提示基坑在開挖過程中的土體壓力和變形演變規(guī)律及數(shù)值模擬存在偏差的原因進(jìn)行深入分析，為類似地層深基坑開挖及施工方案優(yōu)化提供理論分析借鑒和實(shí)踐參考。

1 基坑支護(hù)方案

安徽璀璨明珠商場及辦公用房工程項(xiàng)目，基坑四周緊鄰勝利路、延安路、體育路等繁華地段，有市教育局、蚌埠市第六中學(xué)等重要單位，這些單位建筑距坑側(cè)最近的只有5.4 m，基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，對基坑變形的要求較高?；娱L132 m、寬39 m，平面基本呈矩形。基坑支護(hù)有效深度為4.0～8.35 m，基坑北段和南段側(cè)壁安全等級為二級，其余部位基坑側(cè)壁安全等級為一級。

根據(jù)鉆探結(jié)果，擬建場地地面下47.00 m深度范圍內(nèi)，可分為9個工程地質(zhì)層，主要土(巖)性為黏性土、粉土及花崗混合巖。各主要結(jié)構(gòu)巖層土力學(xué)指標(biāo)如表1所示，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合土的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到基坑設(shè)計(jì)土力學(xué)參數(shù)如表2所示。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)按照在滿足安全的前提下經(jīng)過多方案技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件比較，本項(xiàng)目支護(hù)結(jié)構(gòu)選取了鉆孔灌注樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索的樁錨支護(hù)體系。樁間土掛網(wǎng)噴80 mm厚C20細(xì)石混凝土保護(hù)，基坑分區(qū)域分別采用直徑φ1 000 mm和直徑φ900 mm的鉆孔灌注樁，樁間距分別為2 000 mm和1 800 mm，樁長從9～17.5 m根據(jù)場地條件不等?；颖眰?cè)采用支護(hù)樁加放坡并土釘，東北角采用放坡加支護(hù)樁并兩道預(yù)應(yīng)力錨索，東側(cè)其余部分采用支護(hù)樁加兩道預(yù)應(yīng)力錨索，南側(cè)采用放坡并土釘加支護(hù)樁并一道預(yù)應(yīng)力錨索，西側(cè)采用支護(hù)樁加兩道預(yù)應(yīng)力錨索。預(yù)應(yīng)力錨索采用2束直徑φ15.2 mm的鋼絞線，錨索與水平方向的夾角為15°，錨索成孔直徑為150 mm。

在基坑體整體穩(wěn)定性計(jì)算采用瑞典條分法，條分法中的土條寬度取1.00 m，經(jīng)計(jì)算采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)后基坑穩(wěn)定安全系數(shù)KS=1.323 > 1.30，滿足規(guī)范要求。

表1 各巖土層土力學(xué)指標(biāo)表Table 1 Table of mechanical indexes of each geotechnical layer

表2 基坑設(shè)計(jì)土力學(xué)參數(shù)表Table 2 Design soil mechanical parameters of foundation pit

2 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂冠梁的水平、豎直位移及周邊建筑、道路、圍墻沉降進(jìn)行實(shí)測，冠梁的水平、豎直位移監(jiān)測點(diǎn)從基坑西北角起順時針沿冠梁布置，編號為G01～G22，周邊建筑物監(jiān)測點(diǎn)編號從F01～F16，周邊道路監(jiān)測點(diǎn)從基坑西北角外側(cè)開始沿基坑周邊順時針布置，編號從D01～D08，西側(cè)圍墻監(jiān)測點(diǎn)從基坑西南向西北方向布置，編號為W1～W11，如圖1所示。

觀察各個布點(diǎn)的水平位移和豎向位移?；油馏w開挖初期每2天觀測1次，監(jiān)測值接近警戒值時改為每天1次；當(dāng)監(jiān)測值超過警戒值時，在及時報(bào)警的基礎(chǔ)上監(jiān)測次數(shù)增加至每天2次。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.2.1 道路沉降

道路沉降觀測點(diǎn)從基坑西北角起沿順時針布置，北側(cè)和東側(cè)距離城市主干道最近，因此，作為沉降觀察的重點(diǎn)，對這兩條道路監(jiān)測從2015年5月至2016年3月共歷時10個月，共監(jiān)測44次。監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合為如圖1所示曲線所示。由圖1可以看出，監(jiān)測點(diǎn)D01、D02、D03受到開挖的影響小，沉降量也較小，這三個監(jiān)測點(diǎn)沉降位移曲線隨時間變化的規(guī)律相似，都呈現(xiàn)出先沉降后隆起再沉降的過程。

在基坑最初開挖階段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外土壓力差不斷增大使觀測點(diǎn)沉降也相應(yīng)增大，隨著基坑的繼續(xù)開挖，基坑底部土應(yīng)力不斷釋放，基坑向上隆起帶動基坑周圍土體隆起，在基坑開挖第106天周邊道路隆起達(dá)到最大值。隨著開挖深度的繼續(xù)加大，基坑底部隆起部分出現(xiàn)塑性變形區(qū)域，這些基坑底部由于塑性變形引起基坑周邊道路重新出現(xiàn)沉降，且離基坑中部距離越近的點(diǎn)沉降位移越大，靠近坑角點(diǎn)位移較小，這符合基坑空間效應(yīng)理論。

2.2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移

支護(hù)結(jié)構(gòu)過大的水平位移會直接引發(fā)圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、基坑坍塌，造成周邊道路產(chǎn)生過大沉降，破壞地下管線等其他設(shè)施，因此，基坑側(cè)壁水平位移監(jiān)測是重點(diǎn)。支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測從2015年1月開始共歷時7個多月，監(jiān)測41次。監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合為如圖2所示。

由圖2可以看出，西側(cè)基坑附近有建筑物，建筑荷載對基坑地面產(chǎn)生附加主動土壓力，其結(jié)構(gòu)頂部水平位移明顯大于其他區(qū)段?；?2個水平位移監(jiān)測點(diǎn)最大位移為25.96 mm，小于監(jiān)測報(bào)警值30 mm。

圖1 基坑道路沉降曲線圖 Fig.1 Road settlement curve of foundation pit

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移曲線圖Fig.2 Horizontal displacement curve at the top of foundation pit supporting structure

3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

采用FLAC3D軟件對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，所用到的結(jié)構(gòu)單元包括樁單元、錨索單元以及梁單元，錨索采用FLAC3D中的錨索單元，梁采用梁單元，樁采用樁單元。

基坑開挖面積約為123 m×41 m，開挖深度8 m。計(jì)算模型取自基坑邊緣向外3倍基坑開挖深度，模型范圍為171 m×89 m×24 m，單元324 646個，節(jié)點(diǎn)344 504個，模型邊界條件為底部法向約束，四周法向約束，頂端自由。

數(shù)值模擬根據(jù)開挖方案，分5步進(jìn)行模擬。

第一步：基坑1區(qū)和2區(qū)垂直開挖至標(biāo)高-2 m用梁單元模擬冠梁，在標(biāo)高-1.5 m位置用錨單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索打入并張拉、封錨，長度18 m，自由段6 m，預(yù)應(yīng)力80 kN。

第二步：基坑1區(qū)開挖土體至標(biāo)高-4 m，基坑2區(qū)垂直開挖土體至標(biāo)高-3.5 m，基坑3區(qū)開挖土體至標(biāo)高-2.5 m，在標(biāo)高-2 m位置用錨單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索打入并張拉、封錨。

第三步：基坑1區(qū)放坡開挖至標(biāo)高-5.5 m，在標(biāo)高-5 m位置用錨單元模擬土釘，基坑2區(qū)開挖至標(biāo)高-5 m，在標(biāo)高-4.5 m處用錨單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索打入并張拉、封錨。

第四步：基坑1區(qū)開挖至標(biāo)高-7 m，在標(biāo)高-6.5 m處用錨單元模擬土釘，2區(qū)開挖至標(biāo)高-6.5 m，3區(qū)開挖至標(biāo)高-5.5 m，在標(biāo)高-5 m處用錨單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索并張拉、封錨。

第五步：基坑4個區(qū)域垂直開挖至標(biāo)高-8 m。

土體采用摩爾庫倫模型，主要力學(xué)參數(shù)依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合土層的原位測試成果及經(jīng)驗(yàn)確定。模擬過程中，各土層彈性模量依據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告選取并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將各土層彈性模量提高3倍的結(jié)果作為各土層的回彈模量值。各土層的彈性模量和泊松比通過下面公式轉(zhuǎn)換，求得FLAC3D模型所需要的體積模量和剪切模量。

(1)

(2)

式中：K為體積模量；E為彈性模量；ν為泊松比；G為剪切模量?；訕?biāo)高-8～0 m范圍內(nèi)水平方向每1 m一個單元，豎直方向每0.5 m一個單元，其他區(qū)域按照取1.1的比率向四周擴(kuò)散?；訕?biāo)高至-8 m范圍內(nèi)水平方向每1 m一個單元，豎直方向每0.5 m一個單元，其他區(qū)域按照ratio取1.1的比率向四周擴(kuò)散。

3.2 基坑水平位移分析

基坑的水平位移直接影響坑后地表沉降，對周圍道路、建筑物的安全影響較大，因此基坑水平位移是模擬的重點(diǎn)?；拥拈_挖過程中在放坡開挖面與樁錨支護(hù)開挖面分別選取典型切面進(jìn)行分析，并將兩種開挖支護(hù)方式下的水平位移結(jié)果進(jìn)行對比。

3.2.1 放坡開挖切面水平位移

放坡開挖切面取過點(diǎn)(0，20，0)，法線方向(0，1，0)，X取值范圍為(-15，15)的平面進(jìn)行研究，此切面通過冠梁水平位移監(jiān)測點(diǎn)G02，其向水平位移如圖3所示。文章限于篇幅，圖3只選取第一步開挖、第三步開挖后的x方向位移云圖以及第五步開挖后放大云圖進(jìn)行展示。

通過Origin軟件繪出的位于基坑的頂部和底部兩個點(diǎn)位的水平位移曲線圖，如圖4所示。從圖4中可以看到放坡底部的水平位移要明顯大于放坡頂部。

基坑垂直開挖部分頂部的水平位移如圖5所示。從圖5中可以看出垂直開挖部分頂部的水平位移隨開挖步驟基本呈線性變化。

3.2.2 樁錨支護(hù)側(cè)壁面水平位移

隨著向下開挖，基坑側(cè)壁各點(diǎn)水平位移都向基坑內(nèi)部移動并不斷增大，且同一工況下各點(diǎn)位的水平位移差不超過20 mm?；觽?cè)壁水平位移最大值位于基坑坡腳和坡頂處，支護(hù)樁底部的水平位移最大，在支護(hù)樁深度范圍內(nèi)的土體水平位移相對較小，在同一工況下各點(diǎn)水平位移自上而下先減小后增大，這是因?yàn)榭颖谥胁績傻厘^索預(yù)應(yīng)力施加改變了土壓力狀態(tài)，減小了基坑的側(cè)向位移，增強(qiáng)了基坑的穩(wěn)定性?；娱_挖后的側(cè)壁水平位移云圖如圖6所示，水平位移擬合曲線如圖7所示。

4 數(shù)值模擬與監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異分析

將基坑開挖過程中監(jiān)測得到的樁頂水平位移、土體沉降等數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，兩者總體上呈現(xiàn)較高的相似性，但也有局部數(shù)據(jù)存在差異。

4.1 樁頂水平位移對比

表3詳細(xì)列出了從監(jiān)測點(diǎn)G11～G21模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值的對比?？梢钥闯?，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本相近。但G11、G20、G21、G22等點(diǎn)還是存在著較大差距，并且除G11點(diǎn)以外普遍存在模擬值大于實(shí)測值的情況，造成原因是基坑采用了盆式開挖，在支護(hù)樁周邊留有一定量的土體，樁后土體對支護(hù)樁的主動土壓力減小，使得實(shí)測值相對模擬值要小。

圖3 基坑放坡開挖水平方向位移云圖Fig.3 cloud chart of horizontal displacement of foundation pit sloping excavation

圖4 水平位移模擬曲線 Fig.4 Simulation curve of horizontal displacement

圖5 頂部水平位移曲線Fig.5 Top horizontal displacement curve

圖6 基坑樁錨支護(hù)水平位移云圖Fig.6 Cloud diagram of horizontal displacement of pile-anchor support in foundation pit

4.2 土體沉降對比

坑后地表土體沉降的實(shí)測曲線與數(shù)值計(jì)算曲線進(jìn)行了比較，如圖8所示。從圖8中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果曲線在形態(tài)上都呈現(xiàn)“勺”分布，總體規(guī)律基本近似。

4.3 數(shù)值模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)差異分析

運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模型結(jié)果總體上與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)具有良好的相似性，能夠比較準(zhǔn)確地反應(yīng)基坑開挖土體壓力、變形的演變規(guī)律。但是在計(jì)算過程中也反應(yīng)同數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)難免出現(xiàn)偏差，造成偏差的主要原因有如下幾個方面。

圖7 基坑樁錨支護(hù)水平位移曲線圖Fig.7 Horizontal displacement curve of pile-anchor support in foundation pit

表3 樁頂水平位移實(shí)測值與數(shù)值模擬結(jié)果對比表Table 3 comparison between measured and simulated results of horizontal displacement on pile top

(1)數(shù)值計(jì)算模型。運(yùn)用FLAC3D對基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時，建立科學(xué)的計(jì)算模型是關(guān)鍵，影響模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵又是工程現(xiàn)場土力學(xué)參數(shù)的選取，參數(shù)的取值對計(jì)算的結(jié)果影響最大。土力學(xué)參數(shù)選取不但要詳細(xì)對照基勘測報(bào)告，還要參考大量文獻(xiàn)資料和同地區(qū)類似工程實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)回彈模量取值為壓縮模量的3～5倍，對于具體實(shí)際工程，由于巖土體土質(zhì)條件的多樣性和復(fù)雜性，往往難以從別的工程實(shí)際中獲得準(zhǔn)確的取值參考，幾乎所有的數(shù)值計(jì)算都不可避免地要進(jìn)行多次參數(shù)調(diào)整，才能最終得到了比較滿意的結(jié)果。

(2)模擬工況與實(shí)際工況存在差距。雖然本文在使用FLAC3D軟件模擬基坑開挖支護(hù)的全過程時，遵循土方開挖的施工組織設(shè)計(jì)，并按5步和4個區(qū)域比較真實(shí)地反映了現(xiàn)場施工步驟和工藝實(shí)際，但是這樣的分區(qū)域分步驟安排依然仍然難以做到與施工現(xiàn)場完全一致，特別是工程實(shí)際施工中采取了邊開挖邊支護(hù)方法，支護(hù)樁強(qiáng)度形成過程中對土體變形會造成影響，并且是一個連續(xù)、漸變過程，其演變過程往往十分復(fù)雜，數(shù)值模擬難以體現(xiàn)這種過程，會造成數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)存在一定偏差。

圖8 土體沉降曲線對比圖Fig.8 Contrast map of soil settlement curve

(3)土體變形的時間效應(yīng)。數(shù)值模擬考慮的是土體瞬間卸荷的響應(yīng)，認(rèn)為土體的變形能夠瞬間完成，沒有考慮土體的蠕變特征。在實(shí)際工程中，基坑開挖后，基坑邊坡土體往往可以維持相對穩(wěn)定一段時間，因而變形不會立刻發(fā)生。也就是說，采用FLAC3D程序進(jìn)行的數(shù)值模擬，沒有考慮土體變形的時間效應(yīng)，這導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果比實(shí)測結(jié)果偏大。

(4)模型單元不滿足變形的協(xié)調(diào)和連續(xù)性。在解決土體這類連續(xù)介質(zhì)的相關(guān)問題時，由于FLAC3D程序?qū)Ψ治鰧ο蟮膯卧獎澐窒鄬^大，每個單元產(chǎn)生運(yùn)動的不平衡力被集中簡化在網(wǎng)點(diǎn)處，而且不滿足變形的協(xié)調(diào)和連續(xù)性，這樣從某種意義上忽略了土體顆粒之間的剪切力和相互的變形約束作用，因此由FLAC3D程序分析得到的基坑變形就相應(yīng)較實(shí)測值更大。

運(yùn)用FLAC3D對基坑進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，已經(jīng)成為基坑設(shè)計(jì)的一個重要參考手段，能夠較為準(zhǔn)確地提示施工工序、工藝對基坑壓力和變形的演變規(guī)律，在工程實(shí)際中證明了其科學(xué)性和適用性，但是，由于巖土體的復(fù)雜性、多樣性、易變性，造成數(shù)值模型結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)間存在一定的偏差。一般情況下，數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)比實(shí)測值偏大，偏于安全。

5 結(jié)論

以安徽蚌埠市璀璨明珠商場深基坑工程為背景，通過對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和運(yùn)用FLAC3D對基坑進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可得如下結(jié)論。

(1)基坑數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本相近。運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模型結(jié)果總體上與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)具有良好的相似性，能夠比較準(zhǔn)確地反應(yīng)基坑開挖土體壓力、變形的演變規(guī)律。

(2)本工程基坑水平位移監(jiān)測點(diǎn)最大位移為25.96 mm，小于監(jiān)測報(bào)警值30 mm。

(3)基坑開挖對既有建筑、道路沉降及坡頂水平位移造成影響，其中基坑側(cè)壁水平位移監(jiān)測是重點(diǎn)。有必要采取適當(dāng)措施對坡頂進(jìn)行加固。