深基坑變形數值模擬結果與監測數據對比分析*

戴清寶

(浙江恒欣設計集團股份有限公司福建勘察分公司 福建 泉州 362000)

隨著車庫的需求量日漸增長,地下室幾乎已成為商品住宅樓及辦公樓的標配,地下室的開挖,將影響周邊建(構)筑物的安全,基坑支護應運而生。土釘墻作為一種最常見的基坑支護型式,有著工藝成熟、工期短、造價省等優點,成為眾多基坑工程的首選方案,在基坑支護工程中應用非常廣泛。GB 55003-2021建筑與市政地基基礎通用規范于2022年1月1日起正式實施,該規范第7.1.3條[1]將基坑支護結構及基坑周邊土體的變形計算列入強制性條文要求,土釘墻支護體系下的周邊土體變形理論計算與工程實際變形量是否存在較大差異? 這是一個值得我們考證的內容。

1 工程實例概況

工程場地位于泉州市惠安縣,場地原為舊民房,場地已整平至±0.000(黃海高程32.60 m)。場地西側7 m 范圍外為民房(1-4F、淺基、石砌、磚混或簡易民房、持力層為粉質黏土或殘積砂質粘性土),北側民房已拆除,僅存舊圍墻。南東二側均為現狀水泥路。建筑物下設一層整體地下室,基礎類型為淺基礎,地下室面積約4 400 m2,支護周長約315 m,基坑最大支護深度約6.95 m,基坑側壁安全等級為二級,重要性系數γ0=1.0[2]。

1.1 工程地質概況

按地貌類型劃分,本場地屬沖洪積平原,地勢較平緩,據本勘資料,場地內除表層人工填土(Q4ml),第四系土層為沖洪積(Q4al-pl)及殘積(Q4el)成因,基底為花崗巖類巖石(γ53)。工程場地地貌屬殘積臺地地貌單元,場地地層分布情況自上而下分別為:雜填土、粉質黏土、殘積砂質粘性土、全風化花崗巖等,物理力學參數見表1,相關地層描述如下:

表1 巖土物理力學參數表

1.1.1 雜填土

灰黃、灰褐等雜色,干,松散,為新近回填(年限<1年),未經專門壓實處理,均勻性及密實度差,呈欠固結狀態,并具濕陷性,本層以粘性土為主,混含建筑垃圾與少量砂、碎石,其中硬質物約占15%～25%;該層場地內均有分布,層厚為0.40～2.40 m。

1.1.2 粉質黏土

淺黃、灰黃色,濕,可塑,主要由粘、粉粒組成,土質較均勻,粘性較強,切面稍光滑,無搖振反應,干強度高,韌性中等,含鐵錳質氧化物;該層場地內均有分布,層厚為0.90～3.80 m,層頂埋深0.40～2.40 m。

1.1.3 殘積砂質粘性土

灰黃色,濕,可塑,捻面稍有光澤,無搖震反應,干強度、韌性中等,為花崗巖風化殘積形成,成分以粘性土為主,有少量的細粒石英顆粒,粒徑>2.0 mm 的含量范圍值為5.9%～14.3%,長石及暗色礦物已全部風化成黏土礦物,具有泡水易軟化崩解的特性;該層場地內均有分布,層厚為3.90～9.50 m,層頂埋深為1.60～4.50 m。

1.1.4 全風化花崗巖

黃褐色、飽和,中粗粒花崗結構,散體狀構造,風化顯著但不均,標貫擊數實測值N>30 擊/30 cm,巖芯呈砂土狀,遇水易軟化,原生礦物清晰,含多量次生礦物,為極軟巖,巖體極破碎,巖石基本質量等級V 級,質量指標極差,未發現洞穴、臨空面、風化孤石及“軟弱”夾層;該層場地內均有分布,層厚為0.40～4.30 m,層頂埋深為7.50～12.80 m。

1.2 水文地質概況

雜填土:透水性強,富水性較弱;粉質黏土、殘積砂質粘性土、全風化花崗巖:含水性與透水性較弱(為弱透水性層)。地下水賦存特征為:根據本工程勘察資料,地下水類型為孔隙潛水,賦存于雜填土、粉質黏土、殘積砂質粘性土、全風化花崗巖中,主要靠大氣降水與地表逕流下滲補給故其富水性受季節性制約。

工程場地勘察期間測得鉆孔孔內初見水位埋深距現地表1.50～2.90 m(黃海標高為28.74～30.97 m),穩定水位埋深距現地表2.10～3.60 m(黃海標高為28.14～30.27 m),據當地民井調查與建設方提供當地氣象部門水文資料,本場地地下水變化幅度1.00～2.00 m,工程場地3～5年最高水位黃海標高為31.00 m;歷史最高水位黃海標高為32.30 m。

表2 監測點累積位移量統計表

1.3 基坑支護方案

基坑支護的方式較多,近年來福建沿海一帶用的比較多的支護型式有土釘墻、拉森鋼板樁+預應力錨索、SMW 工法樁+預應力錨索、SMW 工法樁+鋼管內支撐、排樁+內支撐等。結合本工程周邊情況、地質條件、開挖深度等條件,本基坑工程最終采用土釘墻的支護型式。

此次對比分析選取本工程案例的其中一個支護剖面進行,選取的支護剖面圖見圖1。

圖1 支護剖面圖

2 變形數值模擬分析

2.1 模型構成

采用Midas Soilworks計算軟件,利用有限元分析法,對經土釘墻加固后的基坑側壁進行數值模擬變形分析。計算模型利用基坑結構的對稱性,取典型剖面對基坑側壁土體進行計算分析,計算范圍:基坑坑頂外取基坑開挖深度的2.5倍,基坑坑底以下取基坑開挖深度的1.0倍。

2.2 數值模擬結果

根據Midas Soilworks軟件計算結果,水平位移最大值約1.8mm,水平位移模擬結果見圖2,豎向位移最大值約14.3 mm,豎向位移模擬結果見圖3。

圖2 水平位移模擬結果

圖3 豎向位移模擬結果

3 基坑監測實測數據

該基坑現地下室外圍土方已回填完成,基坑安全隱患已排除,基坑暴露總時長約70天,監測單位共出具52份監測簡報,該支護剖面段水平位移監測點編號為P6、P7、P8,豎向位移監測點編號為S6、S7、S8,深層水位位移監測點編號為X3、X4,各監測點最終累積位移量見表2。

4 對比分析

本基坑由建設單位委托具有相應資質的第三方對基坑變形情況進行現場布點、監測,監測單位根據施工圖及《建筑基坑工程監測技術規范》[3]的要求實施監測工作,本文假設監測數據為基坑變形情況的真實體現。

根據監測數據,坡頂水平位移累積位移量最大的點為P7,累積位移量為13.51mm,坡頂豎向位累積位移量最大的點為S7,累積位移量為9.54 mm,深層水平位移累積位移量最大的點為X3,累積位移量為10.66 mm。數值模擬計算該剖面段水平位移最大值1.8 mm,豎向位移最大值14.3 mm,不難發現,數值模擬計算結果與基坑實際位移量存在較大差異,說明數值模擬結果參考價值并不高。

5 結結

基坑變形的數值模擬結果與監測測得的實際變形存在較大差異,即理論與實際存在較大差異,歸結為以下幾點:

(1)數值模擬計算,是將巖土層以參數形式量化后進行的模擬分析,而計算所采用的巖土層物理力學參數,是勘察單位根據現場原位測試或室內試驗后所取,其中難免存在差異。

(2)數值模擬計算是選取剖面段范圍最具代表性的地層進行模擬,然而實際上不同位置各地層的埋深、層厚等是存在一定差異的。

(3)理論計算是嚴格按照設計設定的邊界條件進行的,施工現場不大可能和設計設定的邊界條件完全一致,包括坡頂荷載、支護結構的施工質量等。