基于监测数据的基坑开挖有限元反演计算

王利民,吴 波,张 俊

(上海众材工程检测有限公司,上海市 201209)

基于监测数据的基坑开挖有限元反演计算

王利民,吴 波,张 俊

(上海众材工程检测有限公司,上海市 201209)

随着经济和社会的发展,深基坑工程面临的周边环境越来越复杂,因此深基坑开挖对周边环境影响的分析越来越重要。结合上海软土地区某深基坑工程,采用有限元软件PLAXIS模拟基坑开挖对周边环境的影响分析,并通过现场监测结果对土层参数进行反演,利用反演结果建立的有限元模型对后续工况进行预测计算,将预测值与监测值对比分析,进一步检验数值模型的合理性,结果验证了反演所得数值模型的合理与可靠,为上海等软土地区其他深基坑工程提供了有益的参考。

深基坑工程；数值模拟；反演计算；现场监测

0 引言

随着国民经济的发展,基坑工程也在向深、大、难等方向发展。在发达城市,尤其北京、上海等超大城市,深基坑工程的周边环境往往比较复杂,临近管线、地铁、民宅、变电站、道路等各类构筑物,这就对深基坑工程的施工提出了更高的要求［1］。

早在上世纪三四十年代,太沙基等学者就根据经验提出了开挖深度与周边地面沉降等的计算公式［2］。近三十年来,相关研究更是丰富：Boone［3］基于上部结构、土体、基础等特性提出了建筑物受损估算方法；范益群等［4］将隧道新奥法施工的时空效应法引入进软土基坑工程；Finno等［5］有无支护体系两种情况下的基坑开挖对建筑物的影响；Leung等［6］通过离心机试验研究了黏性土地基中基坑围护结构边线的时间效应；Vorster［7］、徐中华等［8］在大量基坑工程数据汇总分析的基础上,分别给出了开挖深度与围护结构变形的经验关系；刘忠昌［9］运用FLAC软件模拟了深基坑开挖过程中的地下管线变形；应宏伟等［10］利用ABAQUS软件模拟了深基坑开挖过程中隔断墙保护邻近建筑物的效果；郑刚［11］采用PLAXIS软件研究了邻近建筑物受基坑开挖的影响情况。

综上,当前国内外学者就基坑开挖对周边环境的影响进行了大量研究,但是根据现场监测资料对土层参数进行反演并用于后续工况预测方面所进行的研究工作还较少。该文正是基于前人研究基础上,以上海软土地区某深基坑工程为例,利用有限元软件PLAXIS模拟基坑开挖对周边环境的影响,并通过现场监测结果反演土层参数,用于指导后续工况施工。

1 工程概况

某深基坑工程位于上海软土地区。项目总用地面积约2万m2。现场为空地。周边环境相对简单。

上部建筑物由高层写字楼及低层裙楼组成,其下均有四层地下室,基础埋深约20 m。基坑开挖深度20 m。采用地下连续墙围护,插入比1∶1,竖向采用四道钢筋混凝土支撑。

由于该工程上海典型软土深基坑,因此拟结合现场监测数据进行动态设计,为了将设计经验及现场监测数据更加深入的为后续工况施工及日后类似工程提供参考,该工程尝试采用数值模拟方法对深基坑工程进行反演预测。

2 反演预测方法及模型建立

2.1 反演预测方法

具体反演方法及过程为：

(1)根据地质勘察资料和试验结果确定地基各土层初始的厚度、压缩模量等土层参数,地基的计算深度取地质勘察深度。根据地质勘察资料提供的土层参数。

(2)根据地基各土层的厚度、压缩模量等参数建立有限元模型,计算深基坑周边重要部位的位移值。

(3)根据有限元计算结果,结合现场监测资料,对各土层的压缩模量等主要参数进行反演。

(4)根据各土层反演所得参数,重复第(2)步和第(3)步,直到所得计算结果与现场典型监测结果基本吻合。

(5)根据第(4)步最后反演所得各土层参数,对基坑后续施工工况进行预测,为后续施工和其他类似工程的施工提供参考。

2.2 基坑模型的建立及分析方法

2.2.1 有限元模型建立及网格划分

根据该基坑的基本情况建立数值模型,根据现场勘测结果,将部分性质相近的土体合并,将基坑所在地区的土层大致分为8层。本次分析首先模拟土体初始地应力场,然后模拟分步开挖施工和支撑结构施工,水平方向按照实际的基坑尺寸建模,考虑一定的开挖影响范围,模型水平方向总长取80 m,基坑内侧按照对称原则选取一半基坑长度(20 m)；竖直方向则取地表以下60 m。模型左边界施加X向位移约束,底边界施加X、Y向约束,右边界施加对称约束。采用三角形15节点单元模拟土体、水泥土加固区,采用梁单元模拟围护桩,采用弹性支座模拟支撑,基坑数值模型见图1。考虑施工中基坑附近的施工荷载以及基坑周边的道路交通荷载,在距基坑壁一定范围内施加均布荷载20 kN/m2。

图1 计算模型简图

2.2.2 计算参数选取

依据地勘提供钻孔柱状图,确定了该深基坑周围土体的初始参数,设定的各层土的基本物理力学参数见表1(分为八个土层：1填土,2粉质粘土,3淤泥质粉质粘土,4淤泥质粘土,5粘土,6粉质粘土,7粉质粘土夹粘质粉土,8砂质粉土)。因为在基坑开挖之前已经进行了基坑降水处理,因此不考虑地下水对基坑变形的影响。

2.2.3 施工工况

主楼区基坑开挖的关键过程可以分为以下几个工况：

表1 地勘土体参数表

工况1：基坑降水达到设计要求后,进行土方开挖至-2.5 m标高,然后开槽施工第一道围檩(压顶梁)和支撑；

工况2：待第一道支撑达到设计强度后,进行土方开挖至-8.0 m标高,然后开槽施工第二道围檩和支撑；

工况3：待第二道支撑达到设计强度后,进行土方开挖至-12.5 m标高,然后开槽施工第三道围檩和支撑；

工况4：待第三道支撑达到设计强度后,进行土方开挖至-16.5 m标高,然后开槽施工第四道围檩和支撑；

工况5：待第四道支撑达到设计强度后,进行土方开挖至-20.0 m标高,及时浇筑垫层。

3 数值模拟反演计算

由于工况1现场监测数据异常,因此本次反演以截止开挖至第三道支撑的监测数据作为数值计算的对比依据。

经按反演步骤(2)重复多次计算后所得结果见图2-图5。

图2 工况2地下连续墙水平位移数值反演计算值与现场监测值对比图

图3 工况3地下连续墙水平位移数值反演计算值与现场监测值对比图

图4 工况2下基坑周围竖向沉降数值反演计算值与现场监测值对比图

图5 工况3下基坑周围竖向沉降数值反演计算值与现场监测值对比图

图2、图3表明,地下连续墙水平位移计算结果和监测值对比,显示地下连续墙的水平位移计算结果和监测值的规律大体一致,围护结构侧向位移都表现为“大肚”型,即中间大两头小,符合软土地区测斜变化的一般规律。说明了利用反演所得参数(见表2)建立的数值模型可以较好的模拟实际施工中地下连续墙的水平位移情况。

表2 反演后的土体参数表

图4、图5的数值模拟计算值和监测值对比发现,围护结构侧向位移孔随基坑开挖深度的增加,其深层侧向位移也不断增大,其最大变化点也随开挖深度的增加而下移。数值计算结果和监测结果基本一致,说明了利用反演所得参数建立的数值模型可以较好的模拟实际施工下坑周地表沉降情况。

4 数值模拟反演预测计算与实际对比

依据第3节反演计算所确定的数值模型,模拟工况4及工况5情况下的位移,所得结果见图6-图7。

图6 工况4及工况5地墙水平位移预测

图7 工况4及工况5坑周地表沉降预测

图6、图7的数值模拟预测值表明,地下连续墙最大水平位移为71.4 mm＜80 mm,满足规范规定一级基坑围护结构水平位移不大于0.4%H(H为基坑开挖深度)；坑周土体最大沉降为27.4 mm＜50 mm,满足规范规定一级基坑围护结构水平位移不大于0.25%H。因此后续施工引起的周边环境影响是可控的。

图8、图9的数值模拟预测和监测值对比发现,基坑地下连续墙水平位移及周围地表沉降数值及整体趋势一致。验证了反演所得数值模型的可靠性。

图8 工况4及工况5地墙水平位移预测与监测对比图

图9 工况4及工况5坑周地表沉降预测与监测对比图

5 其他工程应用

上海闵行某泵站基坑面积较小,仅为7.8 m× 6.9 m,开挖深度8.6 m。采用φ600@700灌注桩+2排φ800旋喷桩围护开挖施工。灌注桩桩长15 m,插入比为1∶0.74。

工况1：开挖第一层土(-1.2 m)、施工第一道钢筋混凝土支撑；

工况2：开挖第二层土(-5.2 m)、施工第二道钢支撑；

工况3：基坑开挖至坑底、施工垫层及底板。

图10 计算模型图

表3的数值模拟反演计算结果表明,利用反演所得土层参数计算的坑周土体及居民楼沉降与监测值基本一致,可以用于预测下一工况。反演与地勘参数对比见表4。

表3 工况1和2坑周土体及居民楼最大沉降计算与监测对比

表4 反演与地勘土体主要参数对比表

工况3的计算结果表明最大坑周土体沉降为21.4 mm＜0.25%H=21.5 mm,满足规范要求；17层小高层最大沉降为9.8 mm,满足其安全要求。但为了减少基坑周边变形,推荐基坑底部土体采用压密注浆进行加固,加固深度为基坑底面以下3.0 m。

与实际现场监测结果对比见表5,进一步证明了该文提出反演计算方法的可行性。

表5 工况3坑周土体及居民楼最大沉降计算与监测对比

6 结语

该文提出了软土地区深基坑有限元反演计算方法,依据较早工况的基坑监测数据反演土层参数,利用反演所得参数建立数值模型,用于预测后续工况的施工影响,并与实际监测值对比,得出以下结论：

(1)采用该文提出的反演预测方法,经某深基坑工程实践验证是可行的,可供类似工程参考。

(2)基于某深基坑工程的工况2及工况3的监测结果对某工程深基坑工程土层参数反演计算,所得模型用于预测后续工况4及工况5的地下连续墙水平位移及坑周土体沉降,经后续监测对比,能够较好的预测该基坑后续开挖工况下的墙体水平变形规律和深基坑周围土体沉降的规律。

(3)某深基坑工程后续工况的预测位移是可控的,若超出规范要求,可根据预测情况结合实际工程调整设计方案,实现有针对性的动态设计,以确保工程的每一个工况施工的安全。

(4)将该文提出的反演预测方法用于上海某泵站基坑坑周土体及居民楼沉降计算,较好的指导了工程的施工。

(5)根据该文工程实例反演分析结果表明：2粉质粘土层的压缩模量计算时应不超过8 MPa,而该地区地勘报告中常见为8～10 MPa,建议地勘对该层土的取值可在试验值的基础适当调小；8砂质粉土层的压缩模量计算时可在地勘值的基础上适当提高,主要在于其埋深较深,取样扰动可能导致其实际压缩模量大于试验值。

［1］ 刘俊岩. 深基坑工程［D］.北京:中国建筑工业出版社,2001.

［2］ Terzaghi K， and Peck R B. Soil Mechanics in Engineering Practice，John Wiley and Sons， Inc.， New York， 1967.

［3］ Boone S J， Westlnad J，Nusink R. Comparative Evaluation of Building Responses to an Adjacent Braced Excavation. Canadian Geotechnical Journal， 1999， 36(2):210-223.

［4］ 范益群,孙巍,刘国彬,刘建航.软土深基坑考虑时空效应的空间计算分析［J］. 地下工程与隧道,1999(2):2-8.

［5］ Finno Richard J，Voss JR.Frank T，Rossow Edwin，et al. Evaluating damage potential in buildings affected by excavations［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2005， 131(10): 1119-1210.

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［8］ 徐中华,王建华,王卫东.上海地区深基坑工程中地下连续墙的变形性状［J］.土木工程学报,2008，41(8):81-86.

［9］ 刘忠昌.深基坑开挖对近邻地下管线位移影响的数值模拟分析［D］.北京：北京工业大学,2005.

［10］ 应宏伟,李涛,杨永文,谢新宇.深基坑隔断墙保护邻近建筑物的效果与工程应用分析 ［J］.岩土工程学报,2011，33(7): 1123-1128.

［11］ 郑刚,李志伟.不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的影响对比分析［J］.岩土工程学报,2012，34(6):969-977.

TU473.2

B

1009-7716(2015)09-0205-05

2015-07-05

王利民(1965-),男,河南登封人，高级工程师,主要从事结构工程设计及建筑工程质量检测评估工作。