基于監(jiān)測與數(shù)值模擬的深基坑開挖對周邊建筑物的影響分析

王 爽

（上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200434）

0 引言

隨著基坑工程有關(guān)理論的成熟發(fā)展,目前,深基坑開挖對周邊建筑物的影響分析成為了國內(nèi)外專家與學(xué)者研究的重點(diǎn)[1-4]。深基坑在開挖過程中,必然會使周邊土體擾動而使土層變形,導(dǎo)致上部建筑物產(chǎn)生不均勻沉降,然而建筑物抵抗不均勻沉降的能力有限,因此,在深基坑開挖過程中不僅要關(guān)注圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系自身的變形,在確保基坑安全的前提下,還需重點(diǎn)關(guān)注基坑周邊建筑物的變形及沉降[5]。為確保周邊建筑物安全,應(yīng)在深基坑開挖過程中對其進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測,及時采取措施控制其變形沉降[6-9]。本文借助金澤水庫新增取水泵站基坑工程項(xiàng)目,通過數(shù)值分析及現(xiàn)場監(jiān)測,研究分析深基坑開挖對周邊建筑物的影響。

1 工程概況

新增取水泵站基坑工程位于上海市青浦區(qū)太浦河北岸,南側(cè)為太浦河大堤,東側(cè)為現(xiàn)有取水閘,距離取水閘約35 m,基坑深度10.8 m,本工程分析取水泵站基坑開挖過程中對東側(cè)現(xiàn)有取水閘的影響。

1.1 工程場地地質(zhì)結(jié)構(gòu)

（1）地基土構(gòu)成與特征

根據(jù)地質(zhì)勘測報(bào)告,基坑開挖深度范圍內(nèi)土層從上至下依次為：

①2層素填土：灰黃～灰色,由粘性土組成,大部分為原取水閘施工回填土,偶夾碎石、磚塊,表層多含植物根莖,局部為灰色粘性土或淤泥質(zhì)土,回填時間約4 年,尚未完成自重固結(jié),濕～很濕,松散,高等壓縮性,土質(zhì)較均勻。

⑥1層粉質(zhì)粘土：暗綠～草黃色,少量呈灰黃色,含氧化鐵條紋和鐵錳質(zhì)結(jié)核,局部夾粉土團(tuán)塊,濕,可塑～硬塑,中等壓縮性,土質(zhì)較均勻。

⑥3層粉質(zhì)粘土：灰色,含云母和有機(jī)質(zhì),夾粉土薄層,局部粉性較重,很濕,可塑～軟塑,中等偏高壓縮性,土質(zhì)較均勻。

⑥4-1層粉質(zhì)粘土：暗綠～灰綠色,少量呈草黃色,含鐵錳氧化物,局部夾粉土團(tuán)塊,濕,可塑～硬塑,中等壓縮性,土質(zhì)較均勻。

⑥4-1t層粘質(zhì)粉土：灰綠色,含云母和鐵錳氧化物,少量為砂質(zhì)粉土,夾薄層狀粘性土,飽和,中密,中等壓縮性,土質(zhì)較均勻。

⑥4-3層粉質(zhì)粘土：草黃～灰黃色,含云母及氧化鐵條紋,夾薄層粉性土,濕,硬可塑,中等壓縮性,土質(zhì)較均勻。

（2）水文地質(zhì)條件

場地主要地下水類型為淺部土層中的潛水,主要受大氣降水及地表水補(bǔ)給,通過蒸發(fā)或向河湖滲流排泄,潛水水位埋深隨季節(jié)、氣候和地形等因素而有所變化,本次勘察期間陸域鉆孔內(nèi)測得的潛水穩(wěn)定水位埋深為0.68 m～3.74 m,潛水對本工程基坑開挖、施工影響較大,應(yīng)采取適當(dāng)?shù)慕怠⑴潘胧?/p>

1.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

本基坑選取泵房段基坑,基坑深度10.8 m,基坑圍護(hù)型式采用C30 鉆孔灌注樁+兩道混凝土對撐結(jié)構(gòu),止水帷幕采用單排三軸水泥攪拌樁,鉆孔灌注樁樁長23 m、樁徑800 mm、樁距1000 mm。為提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性,并為支撐體系提供支撐反力,擬在圍護(hù)灌注樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁,冠梁尺寸為1.2 m（寬）×0.8 m（高）；兩道支撐截面均寬800 mm、高600 mm,第一道支撐中心標(biāo)高均為3.1 m（地面高程為4.0 m）,第二道支撐中心標(biāo)高均為-2.8 m。基坑圍護(hù)斷面圖見圖1。

圖1 取水泵站段基坑圍護(hù)斷面圖

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 變形監(jiān)測方案

本工程在取水泵站段基坑與取水閘之間地表共設(shè)置6 個監(jiān)測點(diǎn),自西向東依次為D1-0～5,在取水閘建筑物上設(shè)置LDZ-21監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行取水閘沉降監(jiān)測；設(shè)置LDZ-19 監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行取水閘水平位移監(jiān)測。

2.2 地表沉降監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場D1-0～5 監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù),得出基坑開挖過程中不同工況下監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)沉降量與基坑邊緣的距離關(guān)系曲線,見圖2,從圖中可以看出：在第一道混凝土支撐施工完成,距離基坑10 m邊緣處出現(xiàn)了地表隆起現(xiàn)象、沉降不穩(wěn)定,即基坑開挖初期,土體被擾動,土體應(yīng)力還處于初始釋放狀態(tài),出現(xiàn)隆起為正常現(xiàn)象。隨著開挖深度的增加,地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定,呈現(xiàn)凹槽型,在基坑邊緣7 m處達(dá)到沉降峰值,當(dāng)建筑物跨越此處時,最為危險(xiǎn)。隨著開挖深度的增加,地表沉降總體呈現(xiàn)增大的趨勢,在開挖至基坑底時,沉地表降達(dá)到最大,因此,當(dāng)基坑開挖至坑底時應(yīng)及時澆筑混凝土墊層及底板,不能將基坑暴露過長時間,以免出現(xiàn)基坑坍塌；地表最大沉降值為10.66 mm,小于報(bào)警值0.25%H=27 mm,在規(guī)范允許范圍內(nèi),滿足要求。

圖2 實(shí)測基坑周邊地表沉降

本工程取水閘距離基坑邊緣約35 m,處于凹槽的末端,隨著基坑開挖深度的增大,建筑物沉降值基本沒有變化,當(dāng)開挖至坑底時,建筑物沉降為0.83 mm,即基坑開挖對取水閘的影響較小；同時可以看出,基坑開挖對周邊建筑物的影響范圍約3～4倍的基坑深度。

2.3 地表水平位移監(jiān)測結(jié)果

實(shí)測基坑開挖過程中取水閘水平位移結(jié)果見圖3。8月21日為第一道混凝土支撐施工完成,10月3日為第二道混凝土支撐施工完成,10月16日為基坑開挖至坑底時,從圖中可以看出：在基坑開挖至坑底時,取水閘水平位移值達(dá)到最大,為1.3 mm。

圖3 實(shí)測取水閘水平位移

3 有限元模擬

基坑?xùn)|側(cè)緊鄰現(xiàn)有取水閘,基坑開挖時必須確保取水閘的安全,為此,建立整體模型模擬基坑開挖過程對取水閘的影響顯得至關(guān)重要,本文采用加拿大Rocscience公司平面有限元分析程序Phase2 進(jìn)行基坑開挖支護(hù)分步模擬分析。

3.1 計(jì)算模型及工況

（1）計(jì)算模型

計(jì)算邊界見圖4。左右兩側(cè)取約1.5倍基坑開挖跨度,底部取至圍護(hù)樁底高程；左右兩側(cè)及底部采用固定約束。

圖4 基坑開挖完成模型圖示

（2）計(jì)算參數(shù)

采用有限元軟件建立基坑及取水閘整體模型,從上至下各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土體計(jì)算參數(shù)取值表

（3）計(jì)算工況

計(jì)算分7個工況步模擬：

1）現(xiàn)狀原位初始應(yīng)力場,地下水位取地表下0.5 m,地表高程4.0 m,地下水位高程3.5 m；

2）1∶1放坡開挖0.5 m；

3）施工基坑邊圍護(hù)樁以及立柱樁；

4）在3.1 m高程加第一道橫撐,基坑內(nèi)地下水位降至-3.3 m；

5）基坑內(nèi)開挖至-2.85 m；

6）在-2.8 m高程加第二道橫撐,基坑內(nèi)地下水位降至-7.3 m；

7）基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 地表土體水平位移

基坑開挖完成后,開挖卸荷總位移云圖見圖5,從圖可以看出：總體變形趨勢為基坑地表下沉,基坑底部卸荷回彈隆起,靠近基坑側(cè)取水閘地表位移為1.4 mm,在-3.8 m高程處取水閘底板位置約為1.5 mm,樁基底處位移近似0。

圖5 基坑開挖總位移云圖

基坑開挖完成后,開挖卸荷水平位移云圖見圖6,地表靠近取水閘一側(cè)最大水平向位移約為1.8 cm,靠近取水閘位置水平位移約為1.4 mm；與實(shí)測的取水閘水平位移1.3 mm非常接近,且略大于實(shí)測取水閘水平位移。

圖6 基坑開挖水平向位移云圖

3.3.2 地表土體沉降

基坑開挖完成后,開挖卸荷豎向位移云圖見圖7,由圖可知：地表靠近取水閘一側(cè)最大豎向位移約為2.3 cm,為地表下沉位移,靠近取水閘位置豎向位移小于1 mm。實(shí)測地表最大沉降為10.66 mm,小于數(shù)值模擬結(jié)果；實(shí)測取水閘處沉降為0.83 mm,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果非常接近,且略大于實(shí)測值0.17 mm。

圖7 基坑開挖豎向位移云圖

從上述有限元計(jì)算結(jié)果可知,在當(dāng)前支護(hù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上開挖基坑對原取水閘變形影響較小,不會對取水閘穩(wěn)定及功能造成影響,基坑開挖時取水閘是安全的。

4 結(jié)論

（1）在基坑開挖過程中,對取水閘的影響無論是地表沉降還是水平位移均較小,當(dāng)前基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的基坑開挖不會對取水閘的穩(wěn)定和功能造成影響。

（2）取水閘處數(shù)值模擬結(jié)果,地表沉降及水平位移值均非常接近且略大于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),在施工之前,可利用有限元軟件對基坑的開挖過程進(jìn)行整體模擬。

（3）深基坑的整個開挖過程中,在開挖至坑底時,地表沉降及水平位移達(dá)到峰值,此時應(yīng)盡快施工混凝土墊層及底板,避免基坑長時間暴露,以免出現(xiàn)基坑坍塌造成不必要的損失。