某深基坑开挖位移特征的数值模拟与现场监测分析

蒋 蕤 吴 景 魏 东 戴 波 孙鹏飞

(1.中国建筑第四工程局有限公司珠海分公司，广东 珠海 519000； 2.中山大学工学院，广东 广州 510000)

某深基坑开挖位移特征的数值模拟与现场监测分析

蒋 蕤1吴 景1魏 东1戴 波1孙鹏飞2

(1.中国建筑第四工程局有限公司珠海分公司，广东 珠海 519000； 2.中山大学工学院，广东 广州 510000)

依托开挖实例模拟分析了该深基坑工程开挖过程中围护结构位移变形的变化特征，并用现场监测数据对模拟结果进行了对比分析，研究表明数值分析得到的计算结果是可行的。

深基坑，基坑监测，可靠性，基坑设计，数值模拟

1 概述

基坑工程是指在地下工程施工时，支护结构施工、降水、土方开挖回填等工程的总称，包括勘察、设计、施工、监测和检测等，是一项综合的系统工程[1]。深基坑能使得地下空间得到高效利用，缓解城市化过程中凸显出来的用地紧张的矛盾，是城市建设的重要规划方向。研究施工过程中深基坑变形及稳定性问题，对提升深基坑施工的速度、保证深基坑甚至上部结构安全有着重大意义[2]。本文以深基坑支护体系作为研究对象，分析深基坑开挖过程中基坑围护结构的变形，根据现场监测结果验证数值模拟的准确性，为深基坑设计和施工提供理论依据。

有限元数值模拟虽在基坑工程中应用广泛，但建模过程进行了部分简化与假定，只考虑工程的主要影响因素，导致模拟分析的结果与实际变形和位移分布存在一定的差异[3,4]。因此，分析数值模拟和实际监测结果之间的差异性，验证数值模拟深基坑开挖的可靠性，为指导有限元分析的参数优化、基坑设计以及施工控制等方面有着重要的研究意义。研究表明，数值模拟深基坑开挖变形只是实现了深基坑的静态预测和控制，而现场监测能够实现深基坑开挖过程中对变形与稳定性的动态控制。若数值模拟的结果与实际的监测结果相差甚远，甚至存在数据或结论上的矛盾，数值模拟将失去其应用价值。数值模拟为监测提供预测信息，而监测结果为数值模拟提供反馈信息，二者协同工作，形成信息优势互补，共同实现安全施工，保证工程质量。因此，分析数值模拟与实际监测结果间的差异性有着极其重要的研究价值[5,6]。

拟研究深基坑支护工程位于广州市海珠区，地下3层车库。基坑北侧11.5 m外为环岛路，东侧7.0 m外为一期建筑用地，南侧60.0 m内为本项目开发用地，西侧南段为开阔空地，西侧北段9.0 m范围外为多栋1层～2层厂房(天然基础)。基坑侧壁的安全等级确定为一级。场地绝对标高为7.600 m，基坑开挖底部绝对标高-7.000 m，基坑开挖深度为14.60 m，基坑周长约为560 m,开挖面积约17 950 m2。基坑安全等级为一级。

根据场地岩土工程勘察报告，整个场区地质情况相对较复杂，地基土自上而下为第四系填土层、冲积层、残积层及白垩系基岩。对于基本土强度参数根据勘察报告选取见表1。

2 工程背景

场地地下水主要有填土层上层滞水、砂层孔隙水及基岩裂隙水三种类型。填土层上层滞水，属包气带水，含水量较少，富水性较差，动态随季节变化，主要受大气降雨补给；砂层孔隙水，含水量大，透水性强，富水性强，而且与珠江有密切的水力联系，故砂层孔隙水为动态水。场地内地下水对混凝土结构及钢筋、钢结构具有微弱腐蚀性[7]。

表1 土层基本参数取值表

3 数值计算分析

3.1计算模型

基坑采用2D模型，土层选用平面应变单元模拟，支护墙体、支撑、立柱选用梁单元模拟。边界条件为两侧水平约束，底边竖向和水平约束。根据监测数据知地下水位在基坑开挖的过程中基本保持在地下2 m，变化不大，因此计算时水位取地下2 m。坑内加固土体采用Mohr-Coulomb模型，为了实现模拟的可操作性，认为加固土是存在于原土层中，即计算地应力场时已经加固。开挖以前的初始应力和初始位移场的变化不予考虑，土体的初始位移假清零。

基坑开挖深度14.6 m，宽60 m。为了减小尺寸效应，结合经验，基坑开挖一般认为在水平方向上的影响距离为5倍的基坑开挖深度，5倍开挖深度以外影响较小。在深度上，连续墙底落于强风化岩上，尺寸效应对其影响小，而且坑底距岩石顶面约8.5 m，所以自连续墙底至模型底取1倍～2倍开挖深度[8]。因此最终的模型大小为：长241 m，高46 m。

基坑模型网格划分见图1。

3.2工况模拟

现场施工流程：

1)第一步开挖→施工第一道支撑；

2)第二步开挖→施工第二道内支撑；

3)开挖到底→施工底板。

MIDAS/GTS软件中土方开挖和支撑施加是通过单元激活钝化实现，开挖通过钝化开挖土层单元，施加内支撑则通过激活支撑实现的，这个工程模拟过程和实现方法如表2所示。

表2 MIDAS/GTS模拟过程

基坑的变形不仅和周边的土体性质存在很大关系，同时和支护结构的刚度有很大关系，结构刚度越大，则变形越小。根据基坑设计情况，支护结构参数取值见表3。

表3 支护结构参数取值表

4 计算结果分析

将每步的位移分为水平位移和竖向位移，并综合总位移来分析，位移云图如图2～图4所示。

对比水平位移云图发现，在第一步开挖时，基坑最大变形出现在基坑的顶部，后续步开挖时最大变形则在基坑开挖面附近，同时随着基坑的开挖，其位置向下移动。第一步开挖时，由于没有施加内支撑，基坑变形呈悬臂式；施加第一道支撑后，支撑限制住坑顶位移。继续开挖后，随着时间的推移，最大变形位置向下转移。最终由于上部支撑限制住上部连续墙的变形，下部由于软土流变作用，坑底隆起量越来越大，在基坑开挖面附近向坑内出现大的水平位移。

对比竖向位移云图发现：第一步开挖时，坑底隆起成“拱型”，其他步开挖呈驼峰型；分析其主要原因，第一步开挖时间短，坑底隆起量主要是由卸载出现的坑底回弹引起的。在靠近连续墙的位置，因连续墙和土体之间的摩擦阻力，对土体有一个竖向的约束作用；对于其他步，坑底隆起量由两部分组成，一部分是坑内土体卸载出现的弹性恢复，另一部分就是连续墙侧向变形对土体产生挤压，导致坑底隆起。在第二步开挖之后第二部分则起主导作用，从而导致出现了驼峰式的变形。对于坑外层，变形成“勺”形。在第一步开挖时，地表沉降很小，只有2 mm，可见短时间的浅层开挖，对周边土体影响不大。

随着基坑的开挖，基坑影响的范围越来越广，在开挖到坑底时，在基坑3倍开挖深度范围内的土体影响显著，最明显的是距离坑边15 m左右的土体。从最终的总位移云图来看，基坑开挖影响的范围超过5倍开挖深度，影响范围如此之广的主要原因是基坑位于深厚软土地区，具有很强的流变性，基坑的开挖带动大范围土体的流动。

5 深基坑开挖数值模拟的可靠性分析

5.1沉降模拟曲线与实测曲线对比分析

为了更直观地体现基坑开挖过程中的流变特性，提取距基坑边15 m处的模拟沉降位移时程曲线见图5。

由图5可知，该模拟沉降曲线和沉降测量曲线无论是变形趋势还是总的变形量上，吻合度都比较高。从沉降测量曲线看，基坑沉降大致呈“台阶式”发展，在底板浇筑后沉降变形趋于稳定，但是随着时间的发展，变形还在继续增长；模拟曲线也显示此种规律，在基坑开挖阶段，模拟曲线的台阶型增长不是很明显，变形随时间近似成线性增长。

5.2MIDAS/GTS模拟结果对比分析[2]

采用MIDAS有限元软件对基坑开挖进行数值模拟，但模拟过程参数的选取与确定至关重要。虽然数值模拟的模型对实质工程进行了结构简化，并忽略了一些对基坑变形影响相对次要的因素(如水位、渗透、固结)，还对部分结构进行了等效转换(如数值模型中并未模拟钢立柱，实际模拟中是在钢立柱处施加约束，并相应增大支撑处的刚度)。因此数值模拟与工程的实际情况不能完全吻合，但通过结果对比可以看出，数值模拟分析具有一定的可靠性，其计算结果相对保守。

6 结语

本文基于实例工程的大量监测数据验证MIDAS/GTS数值模拟的准确性和可靠性，并用实测数据与MIDAS/GTS数值模拟结果进行对比。总结全文，得出如下结论：

1)根据场地岩土工程勘察报告提取土层参数，再由基坑开挖影响土体的范围，运用MIDAS/GTS软件建立现场的241 m×46 m大小的岩土模型，并模拟现场三步开挖的施工顺序，从而利用MIDAS/GTS软件计算得出土体的位移变形云图。

2)由水平云图得知，第一步开挖时，基坑最大变形出现在基坑的顶部，后续步开挖时最大变形则在基坑开挖面附近，同时随着基坑的开挖，其位置向下移动，最终坑底隆起量越来越大，在基坑开挖面附近向坑内出现大的水平位移。由竖向云图得知，第一步开挖时，地表沉降很小，只有2 mm，可见短时间的浅层开挖，对周边土体影响不大。随着基坑的开挖，基坑影响的范围越来越广，在开挖到坑底时，在基坑3倍开挖深度范围内的土体影响显著，最明显的是距离坑边15 m左右的土体。

3)通过本文的研究表明，使用MIDAS/GTS等有限元软件事先对实际工程基坑变形进行预测，事中对基坑工程的安全施工进行分析具有重要的实际意义，并具有较高的可靠性。为了保证对基坑等结构做出的可靠性评价准确、可信，数据的采集和计算必须严谨对待。

[1] 傅艳华,王旭东,宰金珉.基坑变形时间效应的有限元分析[J].南京工业大学学报(自然科学版),2005(5):32-36.

[2] 吴兴昌.深基坑开挖数值模拟分析与稳定性分析计算[D].长春：吉林大学,2016.

[3] 郑加柱,光 辉.顾及开挖深度的卡尔曼滤波模型在基坑变形分析中的应用[J].测绘通报,2009(5):49-51，68.

[4] 赵延林.深基坑稳定与变形的可靠性分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2012.

[5] 杨学林.基坑工程设计、施工和监测中应关注的若干问题[J].岩石力学与工程学报,2012(11):2327-2333.

[6] 李四维,高华东,杨铁灯.深基坑开挖现场监测与数值模拟分析[J].岩土工程学报,2011(S1):291-298.

[7] 郑 刚,朱合华,刘新荣,等.基坑工程与地下工程安全及环境影响控制[J].土木工程学报,2016(6):1-24.

[8] 徐中华,王卫东.深基坑变形控制指标研究[J].地下空间与工程学报,2010(3):619-626.

Numericalsimulationandfieldmonitoringanalysisofdisplacementcharacteristicsofadeepfoundationpitexcavation

JiangRui1WuJing1WeiDong1DaiBo1SunPengfei2

(1.ChinaConstructionFourthEngineeringBureauCo.,Ltd,ZhuhaiBranch,Zhuhai519000,China; 2.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510000,China)

Based on an excavation example, the displacement and deformation characteristics of the retaining structure are simulated and analyzed during the excavation of the deep foundation pit, and the simulation results are compared and analyzed by field monitoring data. The research of this paper can provide reference for the design and construction of related engineering in the future. The results show that the numerical analysis is feasible.

deep foundation pit, foundation pit monitoring, reliability, designing of foundation pit, numerical simulation

1009-6825(2017)28-0066-03

2017-07-26

孙鹏飞(1994- )，男，在读硕士

TU470

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