建筑深基坑變形監測及FLAC數值模擬分析

吳廣蘭

(邵陽學院土木與建筑工程學院,湖南 邵陽 422000)

0 引言

近年來,我國城市人口不斷增加,快速的城市化推動了地產行業的發展,各類建(構)筑物逐漸多樣復雜化,出現了越來越多的高層建筑,對于建筑安全要求也隨之升高[1]。各類高層建筑建設的最大難點之一就是深基坑,其設計、施工難度均較大,風險也較高,在施工時一旦出現結構失穩,就可能會造成結構自身或者周圍建筑坍塌,不僅會增加建設成本,還會危及相關人員的生命財產安全[2-3]。而施工變形監測和數值模擬分析則能有效地避免這些問題。

本文以某區商住樓工程深基坑為例,對其施工過程進行了現場監測,基于監測得到的數據分析其變形的原因;然后利用FLAC3D軟件對深基坑開挖的各個階段進行數值模擬,了解基坑的變形和穩定性,同時將其與監測數據進行對比驗證,為工程施工建設決策提供參考。

1 工程概況

擬建場地位于福州市某區,總體地勢較為平坦,場地東側距用地紅線70 m左右為現有環島新路,其他各個方向均有高層建筑。整個項目基坑支護涉及到的主體結構有5棟(18層)和2棟(32層)商住綜合樓。該基坑近似梯形,南北寬達129 m、東西最寬處達148 m,深度10.0 m。

根據巖土工程踏勘報告,研究的基坑地質構造有人工填土、沖洪積巖、殘積巖、粉砂巖等四類。其中,人工填筑土主要是由黏性土組成,面積分布多、厚度不均勻、質地松散,土層厚度約為1.6 m～12.8 m;第四系沖洪積巖主要有泥炭質土揭露層厚1.95 m～4.90 m和黏土揭露層厚1 m～6.80 m;第四系殘積巖主要是黏土,項目區域內均有分布,厚1.30 m～11.80 m;粉砂巖包括多種風化粉巖石,深度在6 m～20 m。

2 變形監測方案設計

為保證基坑開挖安全須對基坑及周邊環境進行必要的監測,以此掌握支護結構體、周邊建筑物的變形、受力等情況,依此判斷基坑及周邊環境的安全情況[4]。當變形超過預警要求或現場出現異常情況時及時預警,對指導施工單位安全施工和優化設計方案提供重要參考。

2.1 基坑支護設計

為保證深基坑施工安全,結構支護是必不可少的。基于工程的實際,兼顧周邊建(構)筑物、地表等安全因素,基坑采取圍護結構+內支撐結構的綜合支護設計方案,具體是在圍護結構打入咬合樁、內部采用混凝土支撐,其中東西方向布置3道水平支撐、四角處設置16道角撐,東西水平支撐梁間設置連接梁,兩梁相交處設計立柱樁。

基坑支護施工第一步即為打入咬合樁,該樁采用外徑1 200 mm灌注樁和600 mm,800 mm的三重管旋噴樁相互咬合組成,其相互交替咬合形成圍護樁。第二步即為建立內支撐體系,內支撐混凝土(C30)梁的截面為1 200 mm×1 000 mm,連接梁同樣為混凝土(C30)梁,截面為800 mm×1 000 mm,立柱旋挖成孔后灌注成樁,截面直徑為800 mm。

2.2 監測內容與布設方案

根據建筑基坑工程施工和監測技術規范要求,并結合研究基坑實際情況,設計基坑主要監測內容、使用的儀器設備、測點數量如表1所示。

其中,坑頂水平位移監測點間距15 m左右布設一個;深層水平位移監測采用測斜儀觀測,監測點的水平間距20 m～50 m,測斜管長度大于樁深并且嵌入到穩定的土體中;地表沉降在基坑四周間隔一定距離分別打孔,建筑物沉降選擇有代表性的樓棟墻體位置布設;立柱豎向位移監測對所有立柱布設,埋設采用帶有十字絲的特制測量釘。此外,還對項目區域的地下水位、周邊建筑、地表裂縫等進行合理監測,了解施工綜合影響。

表1 主要監測內容和測點數量

2.3 監測頻率及預警控制

基坑開挖前,符合要求的情況下取平均值作為各項監測內容初始值;現場監測在主要施工期是開挖深度小于5 m每天1次,超過5 m每天2次。當監測值異常如報警、速率加快、基坑及周邊大量積水、長時間連續降雨、市政管道出現泄漏、周邊地面突發較大沉降或出現嚴重開裂、支護結構出現開裂等情況時應提高監測頻率[5]。為此,結合工程實際制定如表2所示的報警控制指標值。

表2 監測內容及報警值

3 開挖過程FLAC3D模擬計算

FLAC3D軟件目前在巖土工程領域應用廣泛,該軟件由美國的Itasca公司開發,其核心理論是基于拉格朗日算法、利用多種預設的本構模型,使用相應的代碼、輸入相應的參數就能模擬各種不同的材料,經過模擬計算達到清晰地反映巖土體形變規律的目的[6]。

對于基坑工程而言,使用FLAC3D軟件進行數值模擬可以研究圍護結構、支護結構以及土體等的形變,可以優化設計方案,也可模擬開挖過程中應變情況以及預測后續開挖形變情況,以便提前做好安全防護工作[7]。

3.1 模型建立

基坑模型建立的關鍵第一步就是確定模型尺寸,為了減小模型尺寸和邊界效應對模擬效果的影響,此次模型垂直尺寸采用開挖高度的3倍即30 m深。計算模型如圖1所示,建立的FLAC3D數值模擬模型有3 822 442個單元和3 949 112個節點。

3.2 本構模型與計算參數

基于本基坑占地面積較小、地質條件分布較好等特征,假設各層巖土體分布均勻,且不存在豎直方向的起伏波動,各層物理性質均勻,圍護結構和支護結構的物理性質各向同性,假定其他工程建設對本基坑無影響。

基于上述假定,按照土體力學性質將其劃分為同一土體水平方向厚度相等、豎直方向的6層,其計算參數如表3所示。數值計算時土體采用Mohr-Coulomb單元、支撐立柱和地下連續墻采用實體單元、混凝土支撐采用Elas單元。

表3 建模主要力學參數

3.3 計算步驟

此次FLAC3D建模計算總體按照三步走的程序來實現:首先施工開挖至1.5 m;然后開挖至4.5 m,并在該階段完成內支撐施工;第三步繼續開挖+內支撐直到挖至坑底。

4 模擬與監測結果對比分析

論文主要模擬分析了基坑的圍護結構位移(包括X與Y方向)和地表沉降,篇幅所限,僅展示部分階段成果并進行分析。

4.1 圍護結構位移對比分析

圍護結構的安全穩定是深基坑安全的重要保障,其變形量或者變形速率超過報警值,將對工程造成重大安全威脅。下面選擇最具代表性的施工開挖至坑底時基坑圍護結構變形情況進行分析。首先分步驟模擬計算得到如圖2所示的開挖至坑底后圍護結構X方向位移云圖,開挖至坑底后X方向的水平位移達到最大值。但此時最大位置不是頂端而在中間偏下位置,其中西側圍護結構最大水平位移值達14.8 mm,東側最大水平位移12.6 mm。總體而言,模擬計算結果未達到預警值,基坑處于穩定狀態。

而根據圍護結構東西方向(X方向)監測所得的數據分析,在監測期數第80期(2021年10月31日)時,深層水平位移監測點CX10單次變化速率預警,而其累計變化量正常,但這個情況依然值得關注,其曲線圖如圖3所示。將模擬結果與現場監測結果變化情況進行比較分析,計算結果和監測結果在數值上有些不同,但是兩者數據差距不大,變形的趨勢基本一致,圍護樁最大位移處都不是出現在樁頂,而是在深基坑垂直方向二分之一左右位置。

4.2 地表沉降對比分析

基坑開挖施工在坑內被挖除后坑內外土體的應力場失去平衡,對坑外影響最直接的就屬地表沉降和建構筑沉降。本文利用FLAC3D軟件模擬基坑開挖三個階段的基坑周圍地表沉降規律,得到各階段的沉降位移云圖。其中,開挖至坑底后的沉降云圖如圖4所示,結合其他兩個階段的成果來分析,各階段基坑周圍地表都有大量的沉降,但沉降主要集中在基坑四周,前兩個階段因開挖深度較小變形相對較小,當開挖深度達到坑底10 m時,基坑開挖對周圍地表形變影響大,地表沉降量達到最大值19.2 mm,各階段預測的沉降量曲線見圖5(紅色曲線)。

對比監測數據兩者基本吻合。因本項目地表監測數據量非常大,以典型地表沉降點D10進行分析,在截取的監測期其沉降曲線如圖5所示(藍色曲線)。從圖5看出,基坑周圍地表沉降大致可分為三個階段:1)5月初至7月中旬,這一階段基坑變形較小,該階段施工對土體擾動較小。2)7月中旬至10月底,該階段是主要施工建設時期,地表沉降連續增加、變化速率較大。3)第三階段自11月始處于穩定階段,沉降變化基本穩定。

4.3 數值模擬與實測數據差異分析

通過模擬計算和實測發現,利用FLAC3D有限差分軟件模擬建筑工程基坑開挖施工過程的變形,總體與現場監測數據變形規律相吻合,基本能夠體現施工各階段圍護結構、地表、周圍建(構)筑物等變形情況。但是,事實上模擬計算結果與變形監測數據會存在一些偏差,如變形值的大小存在差距等,基于本工程的實際認為主要原因有以下幾個方面:

1)基坑建模誤差。模型建立是影響FLAC3D計算結果的關鍵因素,重點包括土力學參數、邊界條件、基坑尺寸等建模參數。由于工程環境十分復雜,巖土體土質條件的多樣性和復雜性,導致建模輸入的力學參數與實際值相差較大[8]。如根據經驗回彈模量取值為壓縮模量的3倍～5倍,實際工作中難以獲得準確的取值參考,需要豐富的經驗并不斷的反復調整才能最終得到比較滿意的結果。另外,還有模型單元不滿足變形的協調和連續性因素對結果的影響同樣很大,原因是FLAC程序對分析對象的單元劃分相對較大,每個單元產生運動的不平衡力被集中簡化在網點處,未考慮土體之間的剪切力和相互約束作用[9]。

2)土體變形的時間效應。根據土力學原理,土體變形是一個持續的過程,對于基坑開挖施工其邊坡土體往往可以維持相對穩定一段時間,即土體變形具有時間效應。而FLAC3D程序數值模擬時假定土體變形瞬間完成,沒有考慮土體的蠕變特征,因此也會導致模擬結果與實測結果產生偏差[10]。

3)基坑工況差異。本文在模擬計算過程中雖然是分步驟進行模擬分析,結合開挖施工、支護進行計算,但是在事實上很難與工程開挖施工過程完全一致,尤其是對于邊開挖邊支護方法,支護結構強度形成過程中對土體變形會造成影響,FLAC3D數值模擬目前難以達到這種動態計算。

4.4 基于監測與模擬分析提出的施工建議

根據監測與模擬結果,部分監測值或者變化速率出現預警的情況,需要結合工程實際采取合理的措施來控制變形發展。如基于全面、科學的巖土工程勘察報告設計基坑尺寸、圍護結構及支撐方案;施工前通過建立地下連續墻等方式對基坑進行降水控制;按照對稱開挖、分層開挖、不超挖的原則開挖,支護結構施工按照標準開槽、挖孔、澆筑鋼筋混凝土,在支護結構強度達到設計標準后再進行后續開挖;優化監測方案并進行持續監測等。

5 結論

1)建筑深基坑工程周邊環境、地質條件復雜,需要進行有效地監測,所得數據能夠較好地反映圍護結構、立柱、周邊建筑物、基坑周邊地表的變形,對指導安全施工、優化設計方案具有重要意義。

2)如果能夠準確獲取巖土體力學參數、充分考慮基坑主體結構、開挖與支護步驟以及模型邊界條件,應用FLAC3D有限差分模擬軟件能夠得到較準確的圍護結構水平位移等因子的數值及變化趨勢。

3)基坑各階段FLAC3D數值模擬結果與實測數據基本吻合、規律基本一致,表明該軟件在巖土體工程變形計算、預測方面具有較好的效果。出現數值有一定差別的原因主要是建模誤差、土體變形的時間效應、基坑工況差異等。