蘭州市某基坑地表沉降監測及數值模擬分析

張茂盛

（甘肅省長城建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在實際的基坑工程中，地質水文環境十分復雜，支護結構受力隨著基坑開挖發生變化[1,2]。另外，受施工方法和地面堆載條件的影響，基坑的變形與設計結果有所差別。周邊土體沉降對鄰近建筑物、構筑物和管道的影響很大，研究基坑開挖產生沉降量，已經成為基坑設計中的突出問題[3]。在一定程度上，基坑開挖支護的設計和施工依靠經驗，因此對基坑變形的實時監測是很有必要的[4]。變形監測能及時掌握基坑自身的安全性以及周邊環境的變化情況。掌握基坑開挖產生地表沉降對周邊環境的影響，可為優化設計和信息化施工提供依據[5]。

針對基坑開挖產生的地表沉降問題，本文結合蘭州市某基坑實例，研究沉降量的變化情況。借助PLAXIS巖土有限元軟件進行數值模擬[6,7]，并與實測數據進行對比，分析其變形規律，最終得出一些有益結論，為類似工程提供參考。

1 工程與地質概況

1.1 工程概況

蘭州市某綜合住宅樓項目深基坑工程，總支護長度約為256m，開挖深度11m，基坑周圍環境較為復雜，分段采用排樁預應力錨桿復合土釘進行支護。如圖1所示，基坑西側支護段采用排樁預應力錨桿支護，排樁樁徑800mm，間距2.0m，混凝土強度等級C30。錨桿材料選用HRB400級鋼筋，直徑28mm，間距2.0m，孔徑150mm，傾角為10 度，預應力為100kN。

1.2 地質概況

圖1 西側支護段剖面圖

基坑開挖深度范圍內土層復雜，主要有雜填土、黃土狀粉土、卵石土、分支粘土、細砂、淤泥質粉土、卵石等土層，土層相關參數如表1所示。基坑開挖施工期間，地下水水位深約為20m。

2 沉降監測方法

針對本基坑工程，在基坑西側支護段地表垂直基坑邊方向間距2.0m布設沉降監測點共13個，采用鉆具成孔方式埋設，孔徑80mm，孔深1.5m。沉降監測基準點共3個，在沉降穩定的建筑物上布設2個基準點，在車輛和行人少的穩定區域埋設1個基準點，具體的地表沉降監測點布置如圖2所示。

表1 土層物理力學參數

圖2 地表沉降監測點布置圖

圖3 監測點沉降量隨時間變化曲線

3 監測結果分析

3.1 沉降量隨時間的變化

圖3給出了部分監測點沉降量隨著時間的變化曲線。從圖中可以看出，基坑開挖初期地表沉降量較小，變化穩定。隨著基坑的不斷開挖，地表沉降速率增大，并且數值變化明顯。基坑開挖完成后，沉降速率減小，沉降值趨于穩定。對比不同的監測點數據，可以發現，距離坑邊不同距離監測點的沉降量的變化不同。靠近基坑，距離坑邊0-4m之間的監測點cj2、cj3沉降變化曲線相對平緩，最大沉降量也較小。距坑邊11m-13m外的監測點cj6、cj7在基坑開挖后期變化速率最快，沉降量最大。遠離基坑，距坑邊22m-24m的監測點cj12、cj13的沉降量曲線平緩，最大沉降量較小。根據實測數據，本基坑工程沉降量最大值出現在監測點cj6附近，距離約為基坑開挖深度的1倍左右。由此可以看出，在樁錨支護結構的基坑開挖過程中，地表沉降量最大值并不是出現在坑邊，而是出現在距離坑邊一定范圍內的區域。

3.2 沉降量隨開挖階段的變化

圖4給出了各監測點沉降量隨基坑開挖過程的變化曲線。從圖中可以看出，隨著開挖距離坑邊6m-16m范圍內的地表沉降較為明顯。最大沉降值出現在cj6監測點附近，最大值為21mm。基坑開挖初期，坑外地表沉降較小，沉降最大值出現在坑邊附近。隨著基坑的不斷開挖，最大沉降點逐漸外移。基坑開挖中后期，坑外地表沉降增幅明顯，沉降范圍擴大。開挖完成后，坑外地表沉降繼續增大，但是增幅相對減小，最終沉降量趨于穩定。

圖4 監測點沉降量隨基坑開挖過程變化曲線

4 PLAXIS數值模擬

圖5 計算幾何模型

4.1 建立有限元模型

本文采用PLAXIS巖土有限元軟件進行數值模擬[8-10]。選取基坑寬度一半建模，模型寬60m，深30m，采用15節點三角形單元模擬土體，建立平面應變有限元模型。支護結構與土體相互作用用接觸面單元模擬，并將接觸單元擴展至支護結構下1m位置。假定模型左右邊界水平位移為零，底部邊界固定。建立計算幾何模型如圖5所示。模型采用中等粗糙程度的網格進行劃分，并對樁、錨桿周圍、坑外地表附近土層、開挖面附近土層進行加密。

4.2 模擬結果分析

通過有限元模型進行彈塑性計算，提取垂直位移云圖，如圖6所示。

提取模擬結果，對比實測數據如圖7所示，發現實測最大沉降量出現在距離坑邊11m的位置，最大值為22.1mm，而PLAXIS軟件模擬最大沉降量出現在距離坑邊14.8m位置，最大值為20.35mm，實測坑外地表沉降范圍約為2-3倍的基坑深度，PLAXIS軟件模擬所得沉降范圍約為3倍的基坑深度。兩者計算結果和曲線趨勢基本一致。

5 結語

以蘭州市某基坑工程為例，分析了地表沉降監測在具體工程中的應用，同時對比數值模擬結果，得出以下結論：

1）樁錨支護結構的基坑開挖過程中，地表沉降量最大值并不是出現在坑邊，而是出現在距離坑邊一定范圍內的區域。

圖6 計算幾何模型

圖7 地表沉降變化的對比分析

2）基坑開挖產生的地表沉降主要發生在開挖的中后期。基坑開挖初期，沉降不明顯，僅發生在坑邊一定區域內。隨著基坑的不斷開挖，坑外地表沉降范圍不斷擴大，且最大沉降點位置逐漸遠離基坑邊方向移動，沉降最大值也不斷增大。開挖完成一定時間內，坑外地表沉降量繼續增大，但增長速率大大減小，直至施工完成后趨于穩定。

3）借助PLAXIS巖土有限元軟件模擬計算基坑開挖過程中地表沉降是可行的，能較好地吻合實際工程，可為基坑開挖的監測提供一定的指導。