深基坑桩锚支护结构位移分析及数值模拟

张超翔， 张志强

(西南交通大学土木工程学院， 成都 610031)

城市建设中如雨后春笋般的高层建筑以及大型地下商场、地铁车站等都广泛采用了深基坑，基坑工程正向大面积、大深度方向发展[1]，深基坑工程稳定性的计算理论和施工技术问题成为土木工程学术界的重大研究课题。胡中雄[2]阐述了上海泰兴路某住宅大楼桩基工程的监测和大型基坑施工经验；曹庭校[3]以北京地铁十号线某深基坑为例，总结了复合土钉支护的研究成果，采用了有限元和数值模拟与实测结构相结合的方法，探讨了深基坑复合土钉支护的应用。羊逸君[4]依托北京地铁15号线3标段隧道深基坑工程，通过监测数据和MIDAS/GTS软件监理三维数值模型，优化了设计图纸和降低了围护桩的配筋；钱七虎[5]认为中国城市地下空间开发迎来了高潮，基坑工程与监测是施工的难点和重点。由于岩土工程地质条件的多样性和复杂性，以及深基坑工程一般施工工期长、开挖难度及对周围环境影响较大[6]。徐至钧[7]总结了深基础与支护工程设计的施工经验，为大型深基础支护位移的控制提供了理论与实践参考；沈国政等[8]采用Mindlin和Pasternak进行建模，对深基坑开挖引起隧道位移进行研究。奚家米等[9]运用FLAC3D数值模拟软件对上海虹桥SOHO深基坑开挖进行研究，有效降低了周边建筑的影响；厉立兵等[10]提出了一种基坑降水的有限元计算方法，提高了基坑降水总涌水量计算的准确性；叶帅华等[11]以兰州市某复杂环境下深大基坑为例，结合Plaxis3D有限元软件对基坑开挖进行数值模拟。张兵兵等[12]依托济南历下医养结合中心项目，采用FLAC3D进行数值模拟，研究结果为基坑开挖对邻近地铁的影响提供了理论参考；徐宏增等[13]以杭州管廊基坑工程为研究背景，并运用三维数值模拟，研究了不同围护结构下的基坑开挖对邻近大直径管线的影响，为类似施工提供了理论依据。

目前，基坑开挖对基坑土体、支护结构和周围建筑物的受力、变形和稳定性的影响及演变规律方面还没有公认准确的本构模型，也没有精确的定量解析计算方法。在工程实践中一般采取信息化施工，动态跟踪基坑的开挖以及支护全过程，通常采用实时监测与数值模拟相结合的方法来综合评价基坑支护稳定性，是一种半理论、半经验相结合的方法分析，尤其对在数值计算和开挖监测数值方面普遍存在的偏差及造成原因方面缺乏深入分析研究。

因此，现依托安徽璀璨明珠商场深基坑工程，采用FLAC3D软件对基坑支护结构进行数值模拟，通过理论分析、现场实测和FLAC3D数值模拟对支护结构进行综合分析，对比基坑开挖过程中支护结构及周边环境的位移实测数据和数值模拟结果的偏差，重点分析造成数值计算与现场监测数据方面存在偏差的主要原因，从而为提示基坑在开挖过程中的土体压力和变形演变规律及数值模拟存在偏差的原因进行深入分析，为类似地层深基坑开挖及施工方案优化提供理论分析借鉴和实践参考。

1 基坑支护方案

安徽璀璨明珠商场及办公用房工程项目，基坑四周紧邻胜利路、延安路、体育路等繁华地段，有市教育局、蚌埠市第六中学等重要单位，这些单位建筑距坑侧最近的只有5.4 m，基坑周边环境复杂，对基坑变形的要求较高。基坑长132 m、宽39 m，平面基本呈矩形。基坑支护有效深度为4.0～8.35 m，基坑北段和南段侧壁安全等级为二级，其余部位基坑侧壁安全等级为一级。

根据钻探结果，拟建场地地面下47.00 m深度范围内，可分为9个工程地质层，主要土(岩)性为黏性土、粉土及花岗混合岩。各主要结构岩层土力学指标如表1所示，根据室内试验并结合土的经验数据，得到基坑设计土力学参数如表2所示。

基坑支护结构的设计应按照在满足安全的前提下经过多方案技术、经济条件比较，本项目支护结构选取了钻孔灌注桩结合预应力锚索的桩锚支护体系。桩间土挂网喷80 mm厚C20细石混凝土保护，基坑分区域分别采用直径φ1 000 mm和直径φ900 mm的钻孔灌注桩，桩间距分别为2 000 mm和1 800 mm，桩长从9～17.5 m根据场地条件不等。基坑北侧采用支护桩加放坡并土钉，东北角采用放坡加支护桩并两道预应力锚索，东侧其余部分采用支护桩加两道预应力锚索，南侧采用放坡并土钉加支护桩并一道预应力锚索，西侧采用支护桩加两道预应力锚索。预应力锚索采用2束直径φ15.2 mm的钢绞线，锚索与水平方向的夹角为15°，锚索成孔直径为150 mm。

在基坑体整体稳定性计算采用瑞典条分法，条分法中的土条宽度取1.00 m，经计算采用桩锚支护结构后基坑稳定安全系数KS=1.323 > 1.30，满足规范要求。

表1 各岩土层土力学指标表Table 1 Table of mechanical indexes of each geotechnical layer

表2 基坑设计土力学参数表Table 2 Design soil mechanical parameters of foundation pit

2 现场监测数据分析

2.1 监测点布置

对基坑支护结构桩顶冠梁的水平、竖直位移及周边建筑、道路、围墙沉降进行实测，冠梁的水平、竖直位移监测点从基坑西北角起顺时针沿冠梁布置，编号为G01～G22，周边建筑物监测点编号从F01～F16，周边道路监测点从基坑西北角外侧开始沿基坑周边顺时针布置，编号从D01～D08，西侧围墙监测点从基坑西南向西北方向布置，编号为W1～W11，如图1所示。

观察各个布点的水平位移和竖向位移。基坑土体开挖初期每2天观测1次，监测值接近警戒值时改为每天1次；当监测值超过警戒值时，在及时报警的基础上监测次数增加至每天2次。

2.2 监测数据分析

2.2.1 道路沉降

道路沉降观测点从基坑西北角起沿顺时针布置，北侧和东侧距离城市主干道最近，因此，作为沉降观察的重点，对这两条道路监测从2015年5月至2016年3月共历时10个月，共监测44次。监测数据拟合为如图1所示曲线所示。由图1可以看出，监测点D01、D02、D03受到开挖的影响小，沉降量也较小，这三个监测点沉降位移曲线随时间变化的规律相似，都呈现出先沉降后隆起再沉降的过程。

在基坑最初开挖阶段，围护结构内外土压力差不断增大使观测点沉降也相应增大，随着基坑的继续开挖，基坑底部土应力不断释放，基坑向上隆起带动基坑周围土体隆起，在基坑开挖第106天周边道路隆起达到最大值。随着开挖深度的继续加大，基坑底部隆起部分出现塑性变形区域，这些基坑底部由于塑性变形引起基坑周边道路重新出现沉降，且离基坑中部距离越近的点沉降位移越大，靠近坑角点位移较小，这符合基坑空间效应理论。

2.2.2 支护结构顶部水平位移

支护结构过大的水平位移会直接引发围护结构失稳、基坑坍塌，造成周边道路产生过大沉降，破坏地下管线等其他设施，因此，基坑侧壁水平位移监测是重点。支护结构顶部水平位移监测从2015年1月开始共历时7个多月，监测41次。监测数据拟合为如图2所示。

由图2可以看出，西侧基坑附近有建筑物，建筑荷载对基坑地面产生附加主动土压力，其结构顶部水平位移明显大于其他区段。基坑22个水平位移监测点最大位移为25.96 mm，小于监测报警值30 mm。

图1 基坑道路沉降曲线图 Fig.1 Road settlement curve of foundation pit

图2 基坑支护结构顶部水平位移曲线图Fig.2 Horizontal displacement curve at the top of foundation pit supporting structure

3 基坑支护结构的数值模拟

3.1 数值计算模型建立

采用FLAC3D软件对基坑支护结构进行数值模拟，所用到的结构单元包括桩单元、锚索单元以及梁单元，锚索采用FLAC3D中的锚索单元，梁采用梁单元，桩采用桩单元。

基坑开挖面积约为123 m×41 m，开挖深度8 m。计算模型取自基坑边缘向外3倍基坑开挖深度，模型范围为171 m×89 m×24 m，单元324 646个，节点344 504个，模型边界条件为底部法向约束，四周法向约束，顶端自由。

数值模拟根据开挖方案，分5步进行模拟。

第一步：基坑1区和2区垂直开挖至标高-2 m用梁单元模拟冠梁，在标高-1.5 m位置用锚单元模拟预应力锚索打入并张拉、封锚，长度18 m，自由段6 m，预应力80 kN。

第二步：基坑1区开挖土体至标高-4 m，基坑2区垂直开挖土体至标高-3.5 m，基坑3区开挖土体至标高-2.5 m，在标高-2 m位置用锚单元模拟预应力锚索打入并张拉、封锚。

第三步：基坑1区放坡开挖至标高-5.5 m，在标高-5 m位置用锚单元模拟土钉，基坑2区开挖至标高-5 m，在标高-4.5 m处用锚单元模拟预应力锚索打入并张拉、封锚。

第四步：基坑1区开挖至标高-7 m，在标高-6.5 m处用锚单元模拟土钉，2区开挖至标高-6.5 m，3区开挖至标高-5.5 m，在标高-5 m处用锚单元模拟预应力锚索并张拉、封锚。

第五步：基坑4个区域垂直开挖至标高-8 m。

土体采用摩尔库伦模型，主要力学参数依据室内试验并结合土层的原位测试成果及经验确定。模拟过程中，各土层弹性模量依据地质勘查报告选取并根据经验将各土层弹性模量提高3倍的结果作为各土层的回弹模量值。各土层的弹性模量和泊松比通过下面公式转换，求得FLAC3D模型所需要的体积模量和剪切模量。

(1)

(2)

式中：K为体积模量；E为弹性模量；ν为泊松比；G为剪切模量。基坑标高-8～0 m范围内水平方向每1 m一个单元，竖直方向每0.5 m一个单元，其他区域按照取1.1的比率向四周扩散。基坑标高至-8 m范围内水平方向每1 m一个单元，竖直方向每0.5 m一个单元，其他区域按照ratio取1.1的比率向四周扩散。

3.2 基坑水平位移分析

基坑的水平位移直接影响坑后地表沉降，对周围道路、建筑物的安全影响较大，因此基坑水平位移是模拟的重点。基坑的开挖过程中在放坡开挖面与桩锚支护开挖面分别选取典型切面进行分析，并将两种开挖支护方式下的水平位移结果进行对比。

3.2.1 放坡开挖切面水平位移

放坡开挖切面取过点(0，20，0)，法线方向(0，1，0)，X取值范围为(-15，15)的平面进行研究，此切面通过冠梁水平位移监测点G02，其向水平位移如图3所示。文章限于篇幅，图3只选取第一步开挖、第三步开挖后的x方向位移云图以及第五步开挖后放大云图进行展示。

通过Origin软件绘出的位于基坑的顶部和底部两个点位的水平位移曲线图，如图4所示。从图4中可以看到放坡底部的水平位移要明显大于放坡顶部。

基坑垂直开挖部分顶部的水平位移如图5所示。从图5中可以看出垂直开挖部分顶部的水平位移随开挖步骤基本呈线性变化。

3.2.2 桩锚支护侧壁面水平位移

随着向下开挖，基坑侧壁各点水平位移都向基坑内部移动并不断增大，且同一工况下各点位的水平位移差不超过20 mm。基坑侧壁水平位移最大值位于基坑坡脚和坡顶处，支护桩底部的水平位移最大，在支护桩深度范围内的土体水平位移相对较小，在同一工况下各点水平位移自上而下先减小后增大，这是因为坑壁中部两道锚索预应力施加改变了土压力状态，减小了基坑的侧向位移，增强了基坑的稳定性。基坑开挖后的侧壁水平位移云图如图6所示，水平位移拟合曲线如图7所示。

4 数值模拟与监测数据的差异分析

将基坑开挖过程中监测得到的桩顶水平位移、土体沉降等数据与数值模拟结果进行对比，两者总体上呈现较高的相似性，但也有局部数据存在差异。

4.1 桩顶水平位移对比

表3详细列出了从监测点G11～G21模拟结果与现场实测值的对比。可以看出，数值模拟结果与现场实测结果基本相近。但G11、G20、G21、G22等点还是存在着较大差距，并且除G11点以外普遍存在模拟值大于实测值的情况，造成原因是基坑采用了盆式开挖，在支护桩周边留有一定量的土体，桩后土体对支护桩的主动土压力减小，使得实测值相对模拟值要小。

图3 基坑放坡开挖水平方向位移云图Fig.3 cloud chart of horizontal displacement of foundation pit sloping excavation

图4 水平位移模拟曲线 Fig.4 Simulation curve of horizontal displacement

图5 顶部水平位移曲线Fig.5 Top horizontal displacement curve

图6 基坑桩锚支护水平位移云图Fig.6 Cloud diagram of horizontal displacement of pile-anchor support in foundation pit

4.2 土体沉降对比

坑后地表土体沉降的实测曲线与数值计算曲线进行了比较，如图8所示。从图8中可以看出，模拟结果与实测结果曲线在形态上都呈现“勺”分布，总体规律基本近似。

4.3 数值模拟与实测数据差异分析

运用FLAC3D软件进行数值模拟，模型结果总体上与现场实测数据具有良好的相似性，能够比较准确地反应基坑开挖土体压力、变形的演变规律。但是在计算过程中也反应同数值模拟结果与实测数据难免出现偏差，造成偏差的主要原因有如下几个方面。

图7 基坑桩锚支护水平位移曲线图Fig.7 Horizontal displacement curve of pile-anchor support in foundation pit

表3 桩顶水平位移实测值与数值模拟结果对比表Table 3 comparison between measured and simulated results of horizontal displacement on pile top

(1)数值计算模型。运用FLAC3D对基坑及支护结构计算时，建立科学的计算模型是关键，影响模型准确性的关键又是工程现场土力学参数的选取，参数的取值对计算的结果影响最大。土力学参数选取不但要详细对照基勘测报告，还要参考大量文献资料和同地区类似工程实际的经验。根据经验回弹模量取值为压缩模量的3～5倍，对于具体实际工程，由于岩土体土质条件的多样性和复杂性，往往难以从别的工程实际中获得准确的取值参考，几乎所有的数值计算都不可避免地要进行多次参数调整，才能最终得到了比较满意的结果。

(2)模拟工况与实际工况存在差距。虽然本文在使用FLAC3D软件模拟基坑开挖支护的全过程时，遵循土方开挖的施工组织设计，并按5步和4个区域比较真实地反映了现场施工步骤和工艺实际，但是这样的分区域分步骤安排依然仍然难以做到与施工现场完全一致，特别是工程实际施工中采取了边开挖边支护方法，支护桩强度形成过程中对土体变形会造成影响，并且是一个连续、渐变过程，其演变过程往往十分复杂，数值模拟难以体现这种过程，会造成数值计算结果与实测数据存在一定偏差。

图8 土体沉降曲线对比图Fig.8 Contrast map of soil settlement curve

(3)土体变形的时间效应。数值模拟考虑的是土体瞬间卸荷的响应，认为土体的变形能够瞬间完成，没有考虑土体的蠕变特征。在实际工程中，基坑开挖后，基坑边坡土体往往可以维持相对稳定一段时间，因而变形不会立刻发生。也就是说，采用FLAC3D程序进行的数值模拟，没有考虑土体变形的时间效应，这导致了计算结果比实测结果偏大。

(4)模型单元不满足变形的协调和连续性。在解决土体这类连续介质的相关问题时，由于FLAC3D程序对分析对象的单元划分相对较大，每个单元产生运动的不平衡力被集中简化在网点处，而且不满足变形的协调和连续性，这样从某种意义上忽略了土体颗粒之间的剪切力和相互的变形约束作用，因此由FLAC3D程序分析得到的基坑变形就相应较实测值更大。

运用FLAC3D对基坑进行数值计算，已经成为基坑设计的一个重要参考手段，能够较为准确地提示施工工序、工艺对基坑压力和变形的演变规律，在工程实际中证明了其科学性和适用性，但是，由于岩土体的复杂性、多样性、易变性，造成数值模型结果与实测数据间存在一定的偏差。一般情况下，数值模拟得到的数据比实测值偏大，偏于安全。

5 结论

以安徽蚌埠市璀璨明珠商场深基坑工程为背景，通过对基坑监测数据分析和运用FLAC3D对基坑进行数值计算，可得如下结论。

(1)基坑数值模拟结果与现场实测结果基本相近。运用FLAC3D软件进行数值模拟，模型结果总体上与现场实测数据具有良好的相似性，能够比较准确地反应基坑开挖土体压力、变形的演变规律。

(2)本工程基坑水平位移监测点最大位移为25.96 mm，小于监测报警值30 mm。

(3)基坑开挖对既有建筑、道路沉降及坡顶水平位移造成影响，其中基坑侧壁水平位移监测是重点。有必要采取适当措施对坡顶进行加固。