建筑深基坑变形监测及FLAC数值模拟分析

吴广兰

(邵阳学院土木与建筑工程学院,湖南 邵阳 422000)

0 引言

近年来,我国城市人口不断增加,快速的城市化推动了地产行业的发展,各类建(构)筑物逐渐多样复杂化,出现了越来越多的高层建筑,对于建筑安全要求也随之升高[1]。各类高层建筑建设的最大难点之一就是深基坑,其设计、施工难度均较大,风险也较高,在施工时一旦出现结构失稳,就可能会造成结构自身或者周围建筑坍塌,不仅会增加建设成本,还会危及相关人员的生命财产安全[2-3]。而施工变形监测和数值模拟分析则能有效地避免这些问题。

本文以某区商住楼工程深基坑为例,对其施工过程进行了现场监测,基于监测得到的数据分析其变形的原因;然后利用FLAC3D软件对深基坑开挖的各个阶段进行数值模拟,了解基坑的变形和稳定性,同时将其与监测数据进行对比验证,为工程施工建设决策提供参考。

1 工程概况

拟建场地位于福州市某区,总体地势较为平坦,场地东侧距用地红线70 m左右为现有环岛新路,其他各个方向均有高层建筑。整个项目基坑支护涉及到的主体结构有5栋(18层)和2栋(32层)商住综合楼。该基坑近似梯形,南北宽达129 m、东西最宽处达148 m,深度10.0 m。

根据岩土工程踏勘报告,研究的基坑地质构造有人工填土、冲洪积岩、残积岩、粉砂岩等四类。其中,人工填筑土主要是由黏性土组成,面积分布多、厚度不均匀、质地松散,土层厚度约为1.6 m～12.8 m;第四系冲洪积岩主要有泥炭质土揭露层厚1.95 m～4.90 m和黏土揭露层厚1 m～6.80 m;第四系残积岩主要是黏土,项目区域内均有分布,厚1.30 m～11.80 m;粉砂岩包括多种风化粉岩石,深度在6 m～20 m。

2 变形监测方案设计

为保证基坑开挖安全须对基坑及周边环境进行必要的监测,以此掌握支护结构体、周边建筑物的变形、受力等情况,依此判断基坑及周边环境的安全情况[4]。当变形超过预警要求或现场出现异常情况时及时预警,对指导施工单位安全施工和优化设计方案提供重要参考。

2.1 基坑支护设计

为保证深基坑施工安全,结构支护是必不可少的。基于工程的实际,兼顾周边建(构)筑物、地表等安全因素,基坑采取围护结构+内支撑结构的综合支护设计方案,具体是在围护结构打入咬合桩、内部采用混凝土支撑,其中东西方向布置3道水平支撑、四角处设置16道角撑,东西水平支撑梁间设置连接梁,两梁相交处设计立柱桩。

基坑支护施工第一步即为打入咬合桩,该桩采用外径1 200 mm灌注桩和600 mm,800 mm的三重管旋喷桩相互咬合组成,其相互交替咬合形成围护桩。第二步即为建立内支撑体系,内支撑混凝土(C30)梁的截面为1 200 mm×1 000 mm,连接梁同样为混凝土(C30)梁,截面为800 mm×1 000 mm,立柱旋挖成孔后灌注成桩,截面直径为800 mm。

2.2 监测内容与布设方案

根据建筑基坑工程施工和监测技术规范要求,并结合研究基坑实际情况,设计基坑主要监测内容、使用的仪器设备、测点数量如表1所示。

其中,坑顶水平位移监测点间距15 m左右布设一个;深层水平位移监测采用测斜仪观测,监测点的水平间距20 m～50 m,测斜管长度大于桩深并且嵌入到稳定的土体中;地表沉降在基坑四周间隔一定距离分别打孔,建筑物沉降选择有代表性的楼栋墙体位置布设;立柱竖向位移监测对所有立柱布设,埋设采用带有十字丝的特制测量钉。此外,还对项目区域的地下水位、周边建筑、地表裂缝等进行合理监测,了解施工综合影响。

表1 主要监测内容和测点数量

2.3 监测频率及预警控制

基坑开挖前,符合要求的情况下取平均值作为各项监测内容初始值;现场监测在主要施工期是开挖深度小于5 m每天1次,超过5 m每天2次。当监测值异常如报警、速率加快、基坑及周边大量积水、长时间连续降雨、市政管道出现泄漏、周边地面突发较大沉降或出现严重开裂、支护结构出现开裂等情况时应提高监测频率[5]。为此,结合工程实际制定如表2所示的报警控制指标值。

表2 监测内容及报警值

3 开挖过程FLAC3D模拟计算

FLAC3D软件目前在岩土工程领域应用广泛,该软件由美国的Itasca公司开发,其核心理论是基于拉格朗日算法、利用多种预设的本构模型,使用相应的代码、输入相应的参数就能模拟各种不同的材料,经过模拟计算达到清晰地反映岩土体形变规律的目的[6]。

对于基坑工程而言,使用FLAC3D软件进行数值模拟可以研究围护结构、支护结构以及土体等的形变,可以优化设计方案,也可模拟开挖过程中应变情况以及预测后续开挖形变情况,以便提前做好安全防护工作[7]。

3.1 模型建立

基坑模型建立的关键第一步就是确定模型尺寸,为了减小模型尺寸和边界效应对模拟效果的影响,此次模型垂直尺寸采用开挖高度的3倍即30 m深。计算模型如图1所示,建立的FLAC3D数值模拟模型有3 822 442个单元和3 949 112个节点。

3.2 本构模型与计算参数

基于本基坑占地面积较小、地质条件分布较好等特征,假设各层岩土体分布均匀,且不存在竖直方向的起伏波动,各层物理性质均匀,围护结构和支护结构的物理性质各向同性,假定其他工程建设对本基坑无影响。

基于上述假定,按照土体力学性质将其划分为同一土体水平方向厚度相等、竖直方向的6层,其计算参数如表3所示。数值计算时土体采用Mohr-Coulomb单元、支撑立柱和地下连续墙采用实体单元、混凝土支撑采用Elas单元。

表3 建模主要力学参数

3.3 计算步骤

此次FLAC3D建模计算总体按照三步走的程序来实现:首先施工开挖至1.5 m;然后开挖至4.5 m,并在该阶段完成内支撑施工;第三步继续开挖+内支撑直到挖至坑底。

4 模拟与监测结果对比分析

论文主要模拟分析了基坑的围护结构位移(包括X与Y方向)和地表沉降,篇幅所限,仅展示部分阶段成果并进行分析。

4.1 围护结构位移对比分析

围护结构的安全稳定是深基坑安全的重要保障,其变形量或者变形速率超过报警值,将对工程造成重大安全威胁。下面选择最具代表性的施工开挖至坑底时基坑围护结构变形情况进行分析。首先分步骤模拟计算得到如图2所示的开挖至坑底后围护结构X方向位移云图,开挖至坑底后X方向的水平位移达到最大值。但此时最大位置不是顶端而在中间偏下位置,其中西侧围护结构最大水平位移值达14.8 mm,东侧最大水平位移12.6 mm。总体而言,模拟计算结果未达到预警值,基坑处于稳定状态。

而根据围护结构东西方向(X方向)监测所得的数据分析,在监测期数第80期(2021年10月31日)时,深层水平位移监测点CX10单次变化速率预警,而其累计变化量正常,但这个情况依然值得关注,其曲线图如图3所示。将模拟结果与现场监测结果变化情况进行比较分析,计算结果和监测结果在数值上有些不同,但是两者数据差距不大,变形的趋势基本一致,围护桩最大位移处都不是出现在桩顶,而是在深基坑垂直方向二分之一左右位置。

4.2 地表沉降对比分析

基坑开挖施工在坑内被挖除后坑内外土体的应力场失去平衡,对坑外影响最直接的就属地表沉降和建构筑沉降。本文利用FLAC3D软件模拟基坑开挖三个阶段的基坑周围地表沉降规律,得到各阶段的沉降位移云图。其中,开挖至坑底后的沉降云图如图4所示,结合其他两个阶段的成果来分析,各阶段基坑周围地表都有大量的沉降,但沉降主要集中在基坑四周,前两个阶段因开挖深度较小变形相对较小,当开挖深度达到坑底10 m时,基坑开挖对周围地表形变影响大,地表沉降量达到最大值19.2 mm,各阶段预测的沉降量曲线见图5(红色曲线)。

对比监测数据两者基本吻合。因本项目地表监测数据量非常大,以典型地表沉降点D10进行分析,在截取的监测期其沉降曲线如图5所示(蓝色曲线)。从图5看出,基坑周围地表沉降大致可分为三个阶段:1)5月初至7月中旬,这一阶段基坑变形较小,该阶段施工对土体扰动较小。2)7月中旬至10月底,该阶段是主要施工建设时期,地表沉降连续增加、变化速率较大。3)第三阶段自11月始处于稳定阶段,沉降变化基本稳定。

4.3 数值模拟与实测数据差异分析

通过模拟计算和实测发现,利用FLAC3D有限差分软件模拟建筑工程基坑开挖施工过程的变形,总体与现场监测数据变形规律相吻合,基本能够体现施工各阶段围护结构、地表、周围建(构)筑物等变形情况。但是,事实上模拟计算结果与变形监测数据会存在一些偏差,如变形值的大小存在差距等,基于本工程的实际认为主要原因有以下几个方面:

1)基坑建模误差。模型建立是影响FLAC3D计算结果的关键因素,重点包括土力学参数、边界条件、基坑尺寸等建模参数。由于工程环境十分复杂,岩土体土质条件的多样性和复杂性,导致建模输入的力学参数与实际值相差较大[8]。如根据经验回弹模量取值为压缩模量的3倍～5倍,实际工作中难以获得准确的取值参考,需要丰富的经验并不断的反复调整才能最终得到比较满意的结果。另外,还有模型单元不满足变形的协调和连续性因素对结果的影响同样很大,原因是FLAC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,未考虑土体之间的剪切力和相互约束作用[9]。

2)土体变形的时间效应。根据土力学原理,土体变形是一个持续的过程,对于基坑开挖施工其边坡土体往往可以维持相对稳定一段时间,即土体变形具有时间效应。而FLAC3D程序数值模拟时假定土体变形瞬间完成,没有考虑土体的蠕变特征,因此也会导致模拟结果与实测结果产生偏差[10]。

3)基坑工况差异。本文在模拟计算过程中虽然是分步骤进行模拟分析,结合开挖施工、支护进行计算,但是在事实上很难与工程开挖施工过程完全一致,尤其是对于边开挖边支护方法,支护结构强度形成过程中对土体变形会造成影响,FLAC3D数值模拟目前难以达到这种动态计算。

4.4 基于监测与模拟分析提出的施工建议

根据监测与模拟结果,部分监测值或者变化速率出现预警的情况,需要结合工程实际采取合理的措施来控制变形发展。如基于全面、科学的岩土工程勘察报告设计基坑尺寸、围护结构及支撑方案;施工前通过建立地下连续墙等方式对基坑进行降水控制;按照对称开挖、分层开挖、不超挖的原则开挖,支护结构施工按照标准开槽、挖孔、浇筑钢筋混凝土,在支护结构强度达到设计标准后再进行后续开挖;优化监测方案并进行持续监测等。

5 结论

1)建筑深基坑工程周边环境、地质条件复杂,需要进行有效地监测,所得数据能够较好地反映围护结构、立柱、周边建筑物、基坑周边地表的变形,对指导安全施工、优化设计方案具有重要意义。

2)如果能够准确获取岩土体力学参数、充分考虑基坑主体结构、开挖与支护步骤以及模型边界条件,应用FLAC3D有限差分模拟软件能够得到较准确的围护结构水平位移等因子的数值及变化趋势。

3)基坑各阶段FLAC3D数值模拟结果与实测数据基本吻合、规律基本一致,表明该软件在岩土体工程变形计算、预测方面具有较好的效果。出现数值有一定差别的原因主要是建模误差、土体变形的时间效应、基坑工况差异等。