深基坑围护结构变形监测与数值模拟研究

■ 广东省地质局第十地质大队 陶波

广东省环境地质勘查院 谢晟

随着城市规模的扩大，高速发展的城市工程建设与城市紧张的土地资源之间的矛盾日益凸显，工程建设中基坑的深度也越来越大。基坑工程中决定工程安全性的最重要因素为基坑支护结构的变形，这不仅影响自身建筑物的安全，而且与周边环境的安全也密切相关。学者对基坑支护工程的研究越来越深入。刘国彬等[1]研究了开挖卸载条件下土体的强度变化规律及对主、被动区土压力的影响；李景林等[2]通过离心模型试验模拟基坑开挖的应力路径变化过程。

本文以广州市某深基坑为例，基于监测数据分析基坑开挖过程中围护结构的变形规律，采用有限单元法对围护结构进行数值分析计算，并将计算结果与实测结果进行比较和验证，确定支护方案的合理性，对基坑安全性、经济性研究方面具有积极意义。该深基坑地质环境条件较差，从上至下岩性依次为杂填土、淤泥和淤泥质土、淤泥质砂、粉质黏土，均为厚层状，且基坑深度最深达21m，在广州市具有较强的代表性。

1.工程概况

1.1 项目概况

该深基坑项目位于广州市番禺区，项目占地5000m2，初定拟设置地下室4层（—17.90m）、群楼4层设计，塔楼高36层（H=159.55m），采用核心筒混合结构，2层连接天桥2座，属一级工程。项目东南侧道路距离基坑开挖边线约为35m，北侧、东侧和西侧为空地，有规划路。场地周围未发现地面塌陷、滑坡等现象，地势平坦，属海冲积平原形成的河流阶地，现已经过人工堆土填平，较为平坦开阔。基坑工程的平面示意图如图1所示。

图1 场地平面位置示意图

1.2 工程地质条件

该基坑场地范围内，根据勘察钻孔所揭露的地层资料，按照地质成因、岩土体性质将区内地层由上至下分为：第四系人工填土层、第四系冲积层、第四系残积层、白垩系下统泥质砂岩。各岩土层性质如下：

第四系人工填土层（Qml）：杂填土，层厚1.90m～4.40m，褐灰色、灰黄色、杂色等，松散，主要由砂、黏性土及少量碎石砖块、块石堆填而成，块石最大直径大于130mm，属新近堆填；

第四系海冲积层（Qal）：淤泥和淤泥质土，层厚0.80m～4.70m，灰黑色、灰色、饱和，流塑，夹淤泥质砂薄层，具臭味，手捻具滑腻感；

第四系海冲积层（Qal）：淤泥质砂，层厚1.90m～10.90m，灰黑色及灰色，饱和，松散为主，局部中密，以中砂为主夹淤泥质粉细砂，级配良好，分选性较差；

第四系残积层（Qel）：粉质黏土，层厚0.60m～6.90m，泥质砂岩风化残基而成，呈灰白色～灰黄色杂色，硬塑为主，局部可塑；

白垩系下统地层（K1）：泥质砂岩（全～强风化带），层厚0.30m～5.70m，褐红色、砖红色，岩石风化强烈，岩芯呈半岩半土状、碎块状、块状等，岩块手折易断；

白垩系下统地层（K1）：泥质砂岩（中风化带），层厚1.50m～9.60m，棕红色、灰色，岩芯多呈块状、短柱状、长柱状，局部节理裂隙发育，岩质稍软，锤击声哑。

1.3 水文地质概况

该场地地下水赋存状态主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。第四系海冲积层中淤泥质细砂为弱含水层。人工填土层下部为上层滞水的主要储水层；人工填土层下部和淤泥质细砂层中赋存孔隙潜水，水量较少。

1.4 基坑支护方案

该基坑工程采用排桩+2道内支撑+1道预应力锚索和排桩+4道锚索支护结构，止水帷幕采用两排Φ550@350搅拌桩，局部采用两排Φ550@350搅拌桩+Φ600@1350/Φ600@1550旋喷桩止水。内支撑采用C30混凝土支撑，支撑间距6m。排桩采用钻（冲）孔灌注桩Φ1200@1350/Φ1400@1550，嵌固段4.0m～6.0m。基坑支护段总长为273m，共分7个支护剖面段。

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1.5 监测方案

根据规范及设计要求，综合考虑现场调查情况，基坑围护结构顶部沉降、水平位移观测点埋设在基坑支护结构顶部的冠梁上，围护结构侧向水平位移观测点埋设采用钻机成孔，孔径110mm，孔深14m，垂直下放高精度测斜管，如图2所示。

图2 监测点位图

2.围护桩监测结果及变形分析

图3为桩+内支撑段CX—4测斜点的测斜曲线。第一次开挖，围护桩的最大水平位移出现在围护桩顶部；在第二道内支撑施工完成后，变形减小；开挖到第三排锚索位置时，围护桩最大水平向位移在第二道支撑底部；在第三排锚索施工之后，围护桩最大水平位移点向下移动；随着基坑开挖到底，围护结构继续向基坑外部移动，由于第二道内支撑的作用，位移曲线在其下部有明显的变化。

图3 CX-4测斜曲线

根据CX—4的变化可以发现，在桩撑支护段，第二道内支撑未设置时，围护桩体的位移变形多为线性变化，最大位移点基本出现在基坑顶部。当第二道内支撑架设之后，顶部的位移减小，最大水平位移点介于两道内支撑之间。在开挖至锚索深度时，最大水平位移以第二道内支撑位置为起点向两边减小。基坑开挖到底时，最大水平位移点介于第二道内支撑与锚索之间。这一现象说明内支撑对基坑位移的变化限制作用较明显，两道内支撑之间的变形较小。

图4为桩锚支护段 CX—10测斜点的测斜曲线。第一次开挖后，围护结构产生向基坑内部的位移，最大水平位移出现在基坑顶部，之后每次开挖后，水平位移总会变大，在锚索设置之后，位移又会减小。最大水平位移点随着开挖深度增加，位置也随之下移。

图4 CX-10测斜曲线

根据CX—10的变化，确认锚索起到了控制基坑变形的作用，由于锚索的锚固力存在，在基坑外部土压力小于锚固力时，围护桩体甚至会产生向外部变形的现象。随着开挖深度增加，最大变形位置也随着下降，总体呈现弯“弓”形弧线。而桩体底部由于处于岩层之中，位移变化较小。同时，根据桩锚段与桩撑段的测斜曲线的表现，也表明了在锚索支护下的支护桩对地层的变化更加敏感，也即锚索支护体系对地层的要求要高于内支撑支护体系。

3.有限元模拟计算

3.1 计算模型

对于模型影响范围，水平方向取3倍开挖深度，基坑开挖面以下取1.5倍开挖深度，即模型的计算尺寸为175m×167m×40m。对于支护结构，均采用弹性模型，其中，混凝土支撑、冠梁、围檩、立柱所采用的类型为梁单元，预应力锚索采用植入式桁架单元，围护桩则按照等刚度理论转换为地下连续墙。该模型将场地岩土层简化为均质层。整体的模型如图5、图6所示。

图5 基坑模型示意图

图6 支护结构示意图

3.2 围护结构变形特征

根据不同的视角可以看出，内支撑支护段的总体变形要小于锚索支护段。在两支护段的顶部位置变形差距更为明显。从整个支护段的方向看，支护段的两端变形量要小于支护段的中部，也即变形由中间向两边逐渐减小。虽然支护体系为两种方式，但是围护结构的最大变形在不同支护段出现的位置也基本相同，在内支撑支护段，最大变形出现在第二道内支撑下方；在锚索支护段，最大变形出现在第三排锚索位置。

3.3 计算与监测结果对比

在内支撑支护区段，以CX—4为对比对象，取开挖深度到第二道内支撑梁、第四排锚索、开挖至基坑底部三个阶段各深度所对应的实测与模拟水平位移值进行对比。

在桩—内支撑支护段，数值模拟方式虽然在数值上与实际变化有偏差，但是总体变形趋势基本相同，并且在一些施工的关键位置，模拟结果比较实际结果来说，具有一定的可靠性。

在锚索支护段，以CX—10为对比对象，取开挖至第二排锚索位置、第三排锚索位置、第四排锚索位置、基坑底部四个阶段作对比。

在锚索支护段，在变量的具体数值方面，模拟值能做到与实测值相差较小的程度，并且总体变形趋势也十分接近，在底部基岩位置，模拟的结果要相对保守。

4.结论

利用Midas gts NX有限元软件建立三维模型，对于基坑围护结构的位移变化，数值模拟可以比较直观地展现其变化，如最大变形位置，各工况下的位移变形特点。

根据数值模拟与实测数据对比分析，说明有限元的计算结果可以为基坑的设计以及施工提供一定的依据，在工程咨询、设计检验与施工验证方面具有一定的应用价值。

由于岩土体的复杂性，假定的计算条件与实际工程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，数值模拟计算值与实测值会存在一定的差别，在计算分析过程中，要根据监测结果反演土体参数，使得计算结果不断接近真实值。