复杂市域环境逆错层式深基坑支护的数值模拟与现场监测对比分析

刘敬锋，袁梓瑞，徐成皓

（1.江苏省地矿局第三地质大队，江苏 镇江 212111；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003）

0 引言

随着地下空间的不断开发和利用，基坑开挖向着更深、更复杂的方向发展，为了保证基坑开挖过程中的安全和控制变形的需要，数值模拟与现场监测相结合的研究方法越来越多的应用于基坑工程的施工当中，为基坑工程的稳定性提供科学指导。董必昌等[1]借助有限元软件研究了双排桩+锚杆结构的变形、受力规律并进行配筋设计，结果显示，基于有限元的基坑支护设计不仅可以考虑土体的本构关系，还可减少钢筋用量。李承超等[2]针对场地高差较大的基坑工程实例，探讨了桩间土加固深度对结构变形影响，认为桩间土加固存在最优深度。宋建学等[3]通过大量的实际现场监测数据整理研究了郑州地区在基坑施工设计过程中基坑变形监测数据，并提出了可靠有效的基坑工程监测的报警指标；王正晓等[4]釆用数值模型对坑底土体变形性状进行了分析，发现基坑底部土体正常固结会随着基坑的开挖施工不断变大。

综上可知，虽然目前对于深基坑工程的变形规律和稳定性分析已有较多研究，但研究不够深入，尤其对于复杂市域环境中逆错层式深基坑开挖过程中支护结构变形规律和稳定性研究还不多，对于逆错层式深基坑支护的稳定性及变形机制还有待深入探讨。因此，本文以丹阳市某逆错层式深基坑工程为背景，结合工程实例进行三维有限元模拟，并将支护结构变形的模拟数据与现场监测数据进行对比分析，验证了模拟分析的可行性，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 基坑周边概况

丹阳某建设项目地下室基坑支护位于镇江丹阳市中心，周边环境复杂，场地南侧红线外为河流，红线外其他三侧存在年代久远的居民建筑。基坑形状不规则，地下室负二层平面与地下室负一层平面不统一，存在错层。

1.2 场地岩土工程地质特征

根据岩土工程勘察报告，场地地基土由第四系全新统人工填土、第四系全新统冲积层（Q4al）、第四系上更新统（Q3al）及白垩纪（K2）风化基岩组成。基坑开挖后，坑壁上部土层为填土层，填土层均匀性及密实性差，松散状态，稳定性差，下部为粉土层和软土层，开挖后的基坑易发生局部崩塌或整体滑移破坏等不良地质现象。该逆错层深基坑开挖深度范围内存在深厚淤泥质土，压缩性高、敏感性高，并且地下水赋存丰富，对支护结构产生较大影响。

1.3 基坑监测设计方案

对于深大复杂的深基坑一般监测布置点较多，分布较为集中，考虑到本项目存在逆错层对南北侧进行了重点监测，主要包括基坑地表沉降、围护桩深层水平位移、冠梁顶水平位移、冠梁顶竖向位移以及支撑轴力。本基坑现场监测点布置如图1所示，其中围护桩深层水平位移用W表示，冠梁顶水平、竖向位移监测点用G表示，轴力监测点用Z表示。通过现场监测数据与数值模拟结果对比分析，可以验证数值模拟的可行性。

图1 监测点布设

2 有限元建模

2.1 本构模型选择

本文使用MIDASGTS数值分析软件。由于土体具有弹塑性，其应力应变关系呈非线性，一般的弹塑性模型参数测定困难，因此，采用MohrˉCoulomb模型。灌注桩、内支撑以及立柱仅考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系，在MIDASGTS中采用梁、板单元进行模拟。

2.2 模拟尺寸选择及边界条件

为减小数值模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围在各个方向上均大于3倍的开挖深度。具体计算时模型沿X方向取348m，沿Y方向取173m，沿Z方向取40m。数值模拟计算中，地表为自由边界；模型的前后左右四个边界的X、Y方向位移限制为零，Z方向自由；模型底部边界的X、Y、Z方向位移均限制为零。内支撑与围护桩应为弹性约束，考虑到内支撑的恒受压性和建模的方便，释放了数学模型中的梁端转动约束，仅以铰接代替。根据上述分析，建立三维模型如图2所示，模型单元总数250904个。

图2 数值模型

2.3 模拟参数的选择

数值模拟中的计算参数主要包括土体、支护桩、内支撑以及立柱桩的物理力学参数。在土体的模拟中按照实际的土体分层情况模拟，具体参数如表1所示。

表1 材料力学参数

2.4 施工全过程模拟

基坑施工阶段模拟分为5个工况。

工况一：施工三轴止水帷幕、围护桩、双轴深搅重力式挡土墙、立柱桩与格构柱。

工况二：挖至冠梁底标高，施工冠梁与第一道混凝土内支撑。

工况三：挖至腰梁底标高，施工腰梁与第二道混凝土内支撑。

工况四：挖至土钉标高，施工土钉。

工况五：挖至基坑底。

3 模拟结果与监测数据对比分析

3.1 基坑地表沉降分析

图3基坑南侧地表沉降随距坑边距离变化的关系图，由图3可知，在基坑周边地表出现U形沉降槽，在距坑边开挖深度（H）范围内地表沉降速率较大，并在距离基坑边H处实测沉降值最大，为18.6mm。距坑边距离超过2H时，基坑开挖造成的地表沉降较小。通过对比模拟曲线与实测曲线发现两者的沉降规律一致，但实测值要大于模拟值。这是由于现场会存在施工荷载和周边道路的动荷载。

图3 基坑南侧地表沉降

3.2 围护桩深层水平位移分析

通过三维模型发现北侧围护桩存在较多的阳角，且基坑北侧相对于基坑南侧来看只有一个竖向支护结构，在控制桩身变形上明显不足，因此为了更好地反应围护桩深层水平位移，选取两个北侧监测点W2、W4与一个南侧监测点W10进行数值与实测值的对比分析如图4所示。

图4 围护桩深层水平位移

由图4可知，围护桩在土压力的作用下发生了向基坑内移动的趋势，围护桩深层水平位移沿深度方向呈现出先增大后减小的凹型趋势，最大位移值为28.30mm，桩顶与桩底的位移量明显小于桩身中部的位移量，这是由于在开挖过程中桩身中部会产生较大的弯矩。由于模拟土方开挖是一次完成，实际则需要进行分层分段，并且基坑边存在堆载，因此模拟值要比实测值偏小，但是两者水平位移曲线整体偏差在15%以内，即数值模拟可行。

3.3 冠梁顶位移分析

冠梁与内支撑之间进行整体浇筑，在围护桩与内支撑之间起到刚性连接的作用，将两个构件连接成一个整体，在开挖过程中彼此相互作用又相互制约，能够有效控制着基坑支护变形[5]。在三维模型中能够发现基坑北侧冠梁顶水平位移值要大于南侧的，阳角处的水平位移量要大于基坑其他位置，因此，选取了最不利情况下阳角与长边附近的监测点进行模拟值与实测值的对比分析见表2。

通过表2可以发现，基坑南侧错层处监测点G4、G6的冠梁位移要小于北侧G1、G2监测点，这是因为北侧只有围护桩作为支护结构，在阳角处冠梁顶位移一般较大；南侧位于中部的G5监测点冠梁顶位移数值要大于同侧的数值，这是由于长边效应造成中部位移量变大，从监测点整体上看北侧的位移数值要更大些，最大值出现在阳角处，约22.5mm。对比模拟值与实际值发现在两者水平位移存在离散性，这是因为现场的动荷载会增大实际基坑开挖时的卸载模量，但二者数值整体上离散程度不大，相对偏差在20%以内。

表2 冠梁顶位移

4 结语

（1）基坑开挖后周边地表的沉降曲线为U形沉降槽，沉降最大值位于距基坑边一倍开挖深度处，最大值为18.6mm。

（2）通过数值模拟和现场监测对围护桩深层水平位移和冠梁位移进行对比，结果表明模拟值与实际值发现在支护结构的变形上两者离散性不大，规律一致，误差在20%以内。

（3）对复杂市域环境中逆错层式深基坑挖过程进行三维有限元模拟，从模拟结果与现场监测结果来看，二者吻合度较好，数值模拟结果具有一定的可行性，且数值模拟可进一步科学验证支护结构的安全性与稳定性。