上海某深基坑工程数值模拟与现场监测分析

吴水根 侯 飞 张 铭

(同济大学建筑工程系，上海200092)

1 工程概况

上海某深基坑工程位于上海市虹口区杨树浦路北外滩地区，基地南临黄浦江，北靠杨树浦路，东侧为瑞丰大厦及秦皇岛路。基地占地面积35 210 m2，总建筑面积196 208 m2，其中地下建筑面积91 208 m2。基地内布置有前后两排共4幢商办建筑，分别为 B01楼、B02楼、B05楼、B06楼，地下室为地下车库和港池。地下室共三层，地下一层层高7．5 m，地下二层层高4 m，地下三层层高3．6 m。整个基坑呈不规则长方形，基坑东西长约230m，南北进深120～160m。基坑采用钻孔灌注桩加三道混凝土支撑的围护形式，采用φ850 mm三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕。场地东侧遗留一棵树龄为120年的古广玉兰树，该树木属上海市二级保护古树，古树附近围护形式采用地下连续墙。基坑围护平面布置图如图1所示。

本工程地处虹口闹市区，局部区域环境保护要求较高，基坑距离西侧大连路地下泵站最近距离约16．65 m，施工期间需保持其正常使用状态。场地南侧紧邻黄浦江，防汛墙与地下室外墙距离仅为27～28 m。北侧为交通主干道杨树浦路，道路下方共有7条市政管线，施工过程中需做好监测工作。

图1 基坑围护平面布置图及监测测点布置图Fig．1 Plan of the main support structure and layout of monitoring points

2 数值模拟分析

2．1 计算模型及工况

Plaxis具有线弹性模型、摩尔-库仑模型、软土模型(剑桥模型)、软土蠕变模型等，非常适合对岩土问题的分析。本文分析土体采用岩土工程广为应用的摩尔-库仑模型，围护结构采用线弹性模型。摩尔-库仑模型中采用15节点的土单元，该模型参数包括干容重、饱和容重、压缩模量、泊松比、黏聚力和摩擦角。土体力学参数见表1。当土体内任一平面上的剪应力达到土体的抗剪强度时土体就发生破坏。完整的摩尔-库仑屈服准则可以用三个以主应力表示的屈服函数来定义:

表1 土体力学参数Table 1 Physical and mechanical properties of soil

针对深度为13．4 m基坑开挖对围护结构与邻近杨树浦路及其地下管线的影响，选择A—A典型剖面进行分析，如图2所示。竖直向影响深度一般大于或等于2 H(H为基坑开挖深度)，本模型取为地表以下45 m;水平向影响范围一般大于或等于3 H，本模型水平向距离取为距基坑边为60 m。水平方向为X方向，垂直方向为Y方向，且对X边界施加X向位移约束，Y边界施加Y向约束。采用等三角形六节点模拟土体、水泥土;用梁单元模拟围护桩;围护桩和土体之间采用接触面单元模拟。支撑模型采用点锚式杆件材料(弹性材料)，支撑间距假定为10 m。土层资料按场地内较差土层分布选取。地面超载取为20 kN/m2。

为反映初始应力状态及施工过程，本次计算共分6个施工步进行，如表2所示。

表2 施工工况Table 2 Working conditions

图2 模型有限网格划分图Fig．2 FEM model

2．2 数值模拟结果及分析

2．2．1 围护结构水平位移分析

随着开挖深度的增加，主动土压力也随之增大，而钻孔灌注桩的入土部分对底部的位移有着约束作用，使得围护结构的水平位移沿着桩体大致呈两头小中间大的弓形变化。围护结构的最大水平位移计算值为33．9 mm，最大位移点位于基底以上约0．9 m处。围护体A—A剖面总位移变形如图3所示，水平位移如图4所示。

图3 总位移变形云图Fig．3 Contour of the total displacement

图4 围护体A—A剖面水平位移图Fig．4 Horizontal displacement of the enclosure

2．2．2 围护结构内力分析

通过对施工过程进行模拟计算，内力计算结果如图5所示。从图中可以看出，在开挖过程中围护体的弯矩为 －449．5 ～1 274．6 kN·m，最大弯矩为1 274．6 kN·m，最大弯矩值点大致位于基底处。围护体的剪力为－317．9～553．2 kN，最大剪力为553．2 kN，最大剪力值点位于基底以上约3．4 m处。计算结果可为围护设计人员设计与校核围护墙时提供参考。

3 基坑监测

3．1 监测目的

由于该基坑深度较大，周边环境复杂，为确保该基坑工程的工程质量和施工安全，除了采取围护措施外，还应进行必要的监测工作。根据监测数据及时调整开挖速度及位置，降低对周边环境的影响［1］。

图5 围护体弯矩、剪力图Fig．5 Bending moment diagram and shear diagram of the enclosure

3．2 监测内容

监测的主要内容包括:①围护体、土体深层侧向位移(测斜)监测;②地下管线垂直、水平位移监测。基坑主要监测点布置如图1所示。

3．3 监测结果分析

3．3．1 围护体、土体深层侧向位移监测

围护体、土体测斜监测设备采用武汉深基坑研究所CX-3型土体测斜仪。测斜孔的布置见图1所示。墙体布设测斜 28孔，编号为 CX1—CX28，孔位间距25～30 m，孔深29～31．2 m。土体布设10孔，编号为CX29—CX38，孔位间距35～45 m，孔深36 m。CX3监测结果见图6。

图6 围护体CX3水平位移曲线Fig．6 Monitoring curve of the horizontal displacement of CX3

从图6中可以看出:

(1)位移随着开挖深度的增大而增大，各阶段曲线变化规律近似呈“弓形”。截止到2013年8月31日底板浇筑完成，在靠近杨树浦路的CX1—CX6 测点中，CX1，CX3，CX6 的水平位移较大，分别为 23 mm、23 mm、24．4 mm。CX3 的最大水平位移与坑深之比为0．17%，属于较低水平。

(2)底板的浇筑经历了较长的时间，而同时期围护体的侧向位移在这段时间内增长了5 mm，说明上海软土的流变性质对基坑变形的发展影响很大［2］。

3．3．2 地下管线垂直、水平位移监测

在基地北侧杨树浦路下的重要管线—上水管处设置14个监测点，编号为S1—S14。累积最大沉降监测点(S11)为27．96 mm，累积最大水平位移监测点(S9)为19 mm，各测点随时间的变化曲线见图7、图8。在0～20 d范围内，为开挖至第一道支撑底部，挖深仅为1．4 m，地表沉降和水平位移近于直线变化。在100～150 d范围内，由于此时分块开挖至一号塔楼区域且该区域开挖深度较大，因此S9和S11处沉降急剧增大。

图7 上水管线测点沉降曲线Fig．7 Settlement curve of the upper hose

图8 上水管测点水平位移曲线Fig．8 Monitoring curve of horizontal displacement of the upper hose

4 数值模拟结果与实测数据对比

4．1 围护体水平位移计算值与现场实测值比较

围护体水平位移的计算值与现场实测值比较如图9所示。由图9可见，围护体水平位移的计算值和实测值比较吻合，曲线变化规律均呈现“弓形”。计算的水平位移最大值为33．9 mm，实测的水平位移最大值为23 mm，相差10．9 mm。在地表下6 m以上，围护体计算值小于实测值，6 m以下计算值大于实测值。计算的围护体水平位移的最大值的位置发生在基底以上约0．9 m处，这和实测的最大位移的位置基本相同。计算值与实测值均在深度26 m左右减为零，可以看出，围护体水平位移的影响范围约为开挖面以下两倍的基坑开挖深度。《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497—2009)［3］中基坑类别一级的灌注桩围护墙深层水平位移的参考值为45～55 mm，实测值与计算值均满足规范要求。

图9 围护体CX3水平位移对比图Fig．9 Comparison between monitoring results and numerical result of CX3

4．2 地下管线的垂直、水平位移计算值与现场实测值比较

选取有代表性的S7，S9测点进行垂直、水平位移的计算值与现场实测值比较，如表3所示。

表3 各测点实测值与计算值比较Table 3 Comparison between site monitoring result and numerical results

由表3可见，对杨树浦路下上水管线的数值模拟计算起到了较好的控制作用，其水平侧移的计算值大于实测值，沉降的计算值略小于实测值。图10为S7测点数值计算水平位移曲线以及其与现场实测值的对比图。由图可见，虽然现场实测值体现出一定离散性，但均在模拟计算可控制范围之内。《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497—2009)［3］中刚性管道管线位移的报警参考值为10～30 mm，亦满足规范要求。计算值与实测值二者存在的差异可能是由于假定的计算条件与实际条件存在的差异性，上海地区软土的流变性质对变形发展的影响大以及施工环境复杂所引起的［4］。

图10 S7测点水平位移对比图Fig．10 Comparison between monitoring and numerical simulation on S7

5 结论

(1)土体及围护体的最大位移随着开挖深度的增大而增大，最大位移点逐步下移，曲线变化规律近似呈“弓形”。开挖对围护体及土体的影响深度约为两倍开挖深度。

(2)对于开挖面积大、深度深、紧邻道路且地下管线众多的复杂基坑工程，加强信息化施工十分必要。通过对管线位移的实时监测来指导施工，降低对周边环境的影响。

(3)对于软土地区，土体流变效应明显，在基坑施工过程中，尽量减少无支撑暴露时间，尽快浇筑底板，防止土体流变产生过大位移。

(4)数值分析结果与实测结果基本吻合，但由于假定的计算条件与实际条件存在的差异性及施工过程和岩土参数的变异性等原因，使得计算值与实测值存在一定差别［5］。

［1］ 姜忻良，宗金辉，孙良涛．天津某深基坑工程施工监测及数值模拟分析［J］．土木工程学报，2007，40(2):79-84．Jiang Xinliang，Zong Jinhui， Sun Liangtao． Construction monitoring and numerical simulation analysis for deep excavation of a foundation pit in Tianjin［J］．China Civil Engineering Journal，2007，40(2):79-84．(in Chinese)

［2］ 徐中华，王卫东，王建华．上海软土地区上海银行大厦深基坑工程的实测与分析［J］．岩石力学与工程学报，2004，23(1):4639-4644．Xu Zhonghua，Wang Weidong，Wang Jianhua．Monitoring and analysis of the deep foundation pit of Shanghai Bank building in soft soil ground in Shanghai［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(1):4639-4644．(in Chinese)

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50497—2009建筑基坑工程监测技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2009．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Republic of China．GB 50497—2009 Technical code for monitoring of building foundation pit engineering［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2009．(in Chinese)

［4］ 郑军，余绍锋．大型深基坑开挖的有限元分析［J］．结构工程师，2012，28(5):124-127．Zheng Jun，Yu Shaofeng．Finite element analysis of deep excavations［J］．Structural Engineers，2012，28(5):124-127．(in Chinese)

［5］ 张辉，熊巨华，曾英俊．长条形基坑地下连续墙侧向位移数值模拟及其影响因素分析［J］．结构工程师，2010，26(1):80-86．Zhang Hui，Xiong Juhua，Zeng Yingjun．Numerical simulation and influence factor analysis on lateral displacement of diaphragm wall in long-narrow pit［J］．Structural Engineers，2010，26(1):80-86．(in Chinese)