基于監測數據的基坑開挖有限元反演計算

王利民,吳 波,張 俊

(上海眾材工程檢測有限公司,上海市 201209)

基于監測數據的基坑開挖有限元反演計算

王利民,吳 波,張 俊

(上海眾材工程檢測有限公司,上海市 201209)

隨著經濟和社會的發展,深基坑工程面臨的周邊環境越來越復雜,因此深基坑開挖對周邊環境影響的分析越來越重要。結合上海軟土地區某深基坑工程,采用有限元軟件PLAXIS模擬基坑開挖對周邊環境的影響分析,并通過現場監測結果對土層參數進行反演,利用反演結果建立的有限元模型對后續工況進行預測計算,將預測值與監測值對比分析,進一步檢驗數值模型的合理性,結果驗證了反演所得數值模型的合理與可靠,為上海等軟土地區其他深基坑工程提供了有益的參考。

深基坑工程；數值模擬；反演計算；現場監測

0 引言

隨著國民經濟的發展,基坑工程也在向深、大、難等方向發展。在發達城市,尤其北京、上海等超大城市,深基坑工程的周邊環境往往比較復雜,臨近管線、地鐵、民宅、變電站、道路等各類構筑物,這就對深基坑工程的施工提出了更高的要求［1］。

早在上世紀三四十年代,太沙基等學者就根據經驗提出了開挖深度與周邊地面沉降等的計算公式［2］。近三十年來,相關研究更是豐富：Boone［3］基于上部結構、土體、基礎等特性提出了建筑物受損估算方法；范益群等［4］將隧道新奧法施工的時空效應法引入進軟土基坑工程；Finno等［5］有無支護體系兩種情況下的基坑開挖對建筑物的影響；Leung等［6］通過離心機試驗研究了黏性土地基中基坑圍護結構邊線的時間效應；Vorster［7］、徐中華等［8］在大量基坑工程數據匯總分析的基礎上,分別給出了開挖深度與圍護結構變形的經驗關系；劉忠昌［9］運用FLAC軟件模擬了深基坑開挖過程中的地下管線變形；應宏偉等［10］利用ABAQUS軟件模擬了深基坑開挖過程中隔斷墻保護鄰近建筑物的效果；鄭剛［11］采用PLAXIS軟件研究了鄰近建筑物受基坑開挖的影響情況。

綜上,當前國內外學者就基坑開挖對周邊環境的影響進行了大量研究,但是根據現場監測資料對土層參數進行反演并用于后續工況預測方面所進行的研究工作還較少。該文正是基于前人研究基礎上,以上海軟土地區某深基坑工程為例,利用有限元軟件PLAXIS模擬基坑開挖對周邊環境的影響,并通過現場監測結果反演土層參數,用于指導后續工況施工。

1 工程概況

某深基坑工程位于上海軟土地區。項目總用地面積約2萬m2。現場為空地。周邊環境相對簡單。

上部建筑物由高層寫字樓及低層裙樓組成,其下均有四層地下室,基礎埋深約20 m。基坑開挖深度20 m。采用地下連續墻圍護,插入比1∶1,豎向采用四道鋼筋混凝土支撐。

由于該工程上海典型軟土深基坑,因此擬結合現場監測數據進行動態設計,為了將設計經驗及現場監測數據更加深入的為后續工況施工及日后類似工程提供參考,該工程嘗試采用數值模擬方法對深基坑工程進行反演預測。

2 反演預測方法及模型建立

2.1 反演預測方法

具體反演方法及過程為：

(1)根據地質勘察資料和試驗結果確定地基各土層初始的厚度、壓縮模量等土層參數,地基的計算深度取地質勘察深度。根據地質勘察資料提供的土層參數。

(2)根據地基各土層的厚度、壓縮模量等參數建立有限元模型,計算深基坑周邊重要部位的位移值。

(3)根據有限元計算結果,結合現場監測資料,對各土層的壓縮模量等主要參數進行反演。

(4)根據各土層反演所得參數,重復第(2)步和第(3)步,直到所得計算結果與現場典型監測結果基本吻合。

(5)根據第(4)步最后反演所得各土層參數,對基坑后續施工工況進行預測,為后續施工和其他類似工程的施工提供參考。

2.2 基坑模型的建立及分析方法

2.2.1 有限元模型建立及網格劃分

根據該基坑的基本情況建立數值模型,根據現場勘測結果,將部分性質相近的土體合并,將基坑所在地區的土層大致分為8層。本次分析首先模擬土體初始地應力場,然后模擬分步開挖施工和支撐結構施工,水平方向按照實際的基坑尺寸建模,考慮一定的開挖影響范圍,模型水平方向總長取80 m,基坑內側按照對稱原則選取一半基坑長度(20 m)；豎直方向則取地表以下60 m。模型左邊界施加X向位移約束,底邊界施加X、Y向約束,右邊界施加對稱約束。采用三角形15節點單元模擬土體、水泥土加固區,采用梁單元模擬圍護樁,采用彈性支座模擬支撐,基坑數值模型見圖1?？紤]施工中基坑附近的施工荷載以及基坑周邊的道路交通荷載,在距基坑壁一定范圍內施加均布荷載20 kN/m2。

圖1 計算模型簡圖

2.2.2 計算參數選取

依據地勘提供鉆孔柱狀圖,確定了該深基坑周圍土體的初始參數,設定的各層土的基本物理力學參數見表1(分為八個土層：1填土,2粉質粘土,3淤泥質粉質粘土,4淤泥質粘土,5粘土,6粉質粘土,7粉質粘土夾粘質粉土,8砂質粉土)。因為在基坑開挖之前已經進行了基坑降水處理,因此不考慮地下水對基坑變形的影響。

2.2.3 施工工況

主樓區基坑開挖的關鍵過程可以分為以下幾個工況：

表1 地勘土體參數表

工況1：基坑降水達到設計要求后,進行土方開挖至-2.5 m標高,然后開槽施工第一道圍檁(壓頂梁)和支撐；

工況2：待第一道支撐達到設計強度后,進行土方開挖至-8.0 m標高,然后開槽施工第二道圍檁和支撐；

工況3：待第二道支撐達到設計強度后,進行土方開挖至-12.5 m標高,然后開槽施工第三道圍檁和支撐；

工況4：待第三道支撐達到設計強度后,進行土方開挖至-16.5 m標高,然后開槽施工第四道圍檁和支撐；

工況5：待第四道支撐達到設計強度后,進行土方開挖至-20.0 m標高,及時澆筑墊層。

3 數值模擬反演計算

由于工況1現場監測數據異常,因此本次反演以截止開挖至第三道支撐的監測數據作為數值計算的對比依據。

經按反演步驟(2)重復多次計算后所得結果見圖2-圖5。

圖2 工況2地下連續墻水平位移數值反演計算值與現場監測值對比圖

圖3 工況3地下連續墻水平位移數值反演計算值與現場監測值對比圖

圖4 工況2下基坑周圍豎向沉降數值反演計算值與現場監測值對比圖

圖5 工況3下基坑周圍豎向沉降數值反演計算值與現場監測值對比圖

圖2、圖3表明,地下連續墻水平位移計算結果和監測值對比,顯示地下連續墻的水平位移計算結果和監測值的規律大體一致,圍護結構側向位移都表現為“大肚”型,即中間大兩頭小,符合軟土地區測斜變化的一般規律。說明了利用反演所得參數(見表2)建立的數值模型可以較好的模擬實際施工中地下連續墻的水平位移情況。

表2 反演后的土體參數表

圖4、圖5的數值模擬計算值和監測值對比發現,圍護結構側向位移孔隨基坑開挖深度的增加,其深層側向位移也不斷增大,其最大變化點也隨開挖深度的增加而下移。數值計算結果和監測結果基本一致,說明了利用反演所得參數建立的數值模型可以較好的模擬實際施工下坑周地表沉降情況。

4 數值模擬反演預測計算與實際對比

依據第3節反演計算所確定的數值模型,模擬工況4及工況5情況下的位移,所得結果見圖6-圖7。

圖6 工況4及工況5地墻水平位移預測

圖7 工況4及工況5坑周地表沉降預測

圖6、圖7的數值模擬預測值表明,地下連續墻最大水平位移為71.4 mm＜80 mm,滿足規范規定一級基坑圍護結構水平位移不大于0.4%H(H為基坑開挖深度)；坑周土體最大沉降為27.4 mm＜50 mm,滿足規范規定一級基坑圍護結構水平位移不大于0.25%H。因此后續施工引起的周邊環境影響是可控的。

圖8、圖9的數值模擬預測和監測值對比發現,基坑地下連續墻水平位移及周圍地表沉降數值及整體趨勢一致。驗證了反演所得數值模型的可靠性。

圖8 工況4及工況5地墻水平位移預測與監測對比圖

圖9 工況4及工況5坑周地表沉降預測與監測對比圖

5 其他工程應用

上海閔行某泵站基坑面積較小,僅為7.8 m× 6.9 m,開挖深度8.6 m。采用φ600@700灌注樁+2排φ800旋噴樁圍護開挖施工。灌注樁樁長15 m,插入比為1∶0.74。

工況1：開挖第一層土(-1.2 m)、施工第一道鋼筋混凝土支撐；

工況2：開挖第二層土(-5.2 m)、施工第二道鋼支撐；

工況3：基坑開挖至坑底、施工墊層及底板。

圖10 計算模型圖

表3的數值模擬反演計算結果表明,利用反演所得土層參數計算的坑周土體及居民樓沉降與監測值基本一致,可以用于預測下一工況。反演與地勘參數對比見表4。

表3 工況1和2坑周土體及居民樓最大沉降計算與監測對比

表4 反演與地勘土體主要參數對比表

工況3的計算結果表明最大坑周土體沉降為21.4 mm＜0.25%H=21.5 mm,滿足規范要求；17層小高層最大沉降為9.8 mm,滿足其安全要求。但為了減少基坑周邊變形,推薦基坑底部土體采用壓密注漿進行加固,加固深度為基坑底面以下3.0 m。

與實際現場監測結果對比見表5,進一步證明了該文提出反演計算方法的可行性。

表5 工況3坑周土體及居民樓最大沉降計算與監測對比

6 結語

該文提出了軟土地區深基坑有限元反演計算方法,依據較早工況的基坑監測數據反演土層參數,利用反演所得參數建立數值模型,用于預測后續工況的施工影響,并與實際監測值對比,得出以下結論：

(1)采用該文提出的反演預測方法,經某深基坑工程實踐驗證是可行的,可供類似工程參考。

(2)基于某深基坑工程的工況2及工況3的監測結果對某工程深基坑工程土層參數反演計算,所得模型用于預測后續工況4及工況5的地下連續墻水平位移及坑周土體沉降,經后續監測對比,能夠較好的預測該基坑后續開挖工況下的墻體水平變形規律和深基坑周圍土體沉降的規律。

(3)某深基坑工程后續工況的預測位移是可控的,若超出規范要求,可根據預測情況結合實際工程調整設計方案,實現有針對性的動態設計,以確保工程的每一個工況施工的安全。

(4)將該文提出的反演預測方法用于上海某泵站基坑坑周土體及居民樓沉降計算,較好的指導了工程的施工。

(5)根據該文工程實例反演分析結果表明：2粉質粘土層的壓縮模量計算時應不超過8 MPa,而該地區地勘報告中常見為8～10 MPa,建議地勘對該層土的取值可在試驗值的基礎適當調??；8砂質粉土層的壓縮模量計算時可在地勘值的基礎上適當提高,主要在于其埋深較深,取樣擾動可能導致其實際壓縮模量大于試驗值。

［1］ 劉俊巖. 深基坑工程［D］.北京:中國建筑工業出版社,2001.

［2］ Terzaghi K， and Peck R B. Soil Mechanics in Engineering Practice，John Wiley and Sons， Inc.， New York， 1967.

［3］ Boone S J， Westlnad J，Nusink R. Comparative Evaluation of Building Responses to an Adjacent Braced Excavation. Canadian Geotechnical Journal， 1999， 36(2):210-223.

［4］ 范益群,孫巍,劉國彬,劉建航.軟土深基坑考慮時空效應的空間計算分析［J］. 地下工程與隧道,1999(2):2-8.

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［7］ Vorster T E B， Klar A，Soga K，et al.Estimating the effects of tunneling on existing pipelines［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2005，131(11):1399-1410.

［8］ 徐中華,王建華,王衛東.上海地區深基坑工程中地下連續墻的變形性狀［J］.土木工程學報,2008，41(8):81-86.

［9］ 劉忠昌.深基坑開挖對近鄰地下管線位移影響的數值模擬分析［D］.北京：北京工業大學,2005.

［10］ 應宏偉,李濤,楊永文,謝新宇.深基坑隔斷墻保護鄰近建筑物的效果與工程應用分析 ［J］.巖土工程學報,2011，33(7): 1123-1128.

［11］ 鄭剛,李志偉.不同圍護結構變形形式的基坑開挖對鄰近建筑物的影響對比分析［J］.巖土工程學報,2012，34(6):969-977.

TU473.2

B

1009-7716(2015)09-0205-05

2015-07-05

王利民(1965-),男,河南登封人，高級工程師,主要從事結構工程設計及建筑工程質量檢測評估工作。