平度市某基坑开挖变形监测及数值模拟分析

刘 奇 （中铁十四局集团有限公司市政工程分公司，山东 青岛 266700）

0 引言

近年来随着城市化进程的不断加速，有限的土地资源难以满足快速扩张的需求，促使人们追求更高的建筑高度以使空间利用率最大化。因此涌现出越来越多的高层建筑及大量的地下工程[1]，但随之而来的深基坑工程复杂性问题也更加突出。

本文依托平度市某工程实际案例，利用ANSYS 有限元软件进行模拟，依据勘查和设计文件，对基坑开挖和围护结构过程建立模型，与施工过程中的监测数据进行对比，验证所选方案的合理性[1]。

1 工程概况

1.1 项目概况

该项目位于山东省平度市，拟建物为公共配套，地上3层，地下1层，框架结构，独立基础；1#～22#楼为地上15 层和18 层，地下2 层，主楼为剪力墙结构；筏形基础，地基采用天然地基；地下车库为地下1 层，框架结构，内部采用独立基础+防水板，外墙采用条形基础，地基采用天然地基。本基坑深度约为4.10～5.80m。 基坑总支护长度约为1200.00m。

1.2 工程地质水文条件

依据勘察钻孔所得到的地层资料，场地地层分布稳定，层序较清晰，上覆第四系由全新统人工填土层（Q4ml）和全新统陆相冲洪积层（Q4al+pl）组成，下伏基岩为中生界白垩系上统王氏组砂岩（K2w）。

依据该区域水文地质资料和勘察资料，拟建场地地下水类型以孔隙微承压水为主。孔隙微承压水主要赋存于第④层中粗砂中，补给、排泄均以侧向径流为主。勘察期间，场地钻孔内稳定水位埋深实测约为6.09～7.77m，水位高程约为32.60～33.93m。由于水位受季节性降水的影响较为明显，查阅青岛市气象资料和场区水文地质资料，水位年变幅约为2.0m，历史最高水位的绝对高程约为36.0m。

2 基坑支护方案

常见的基坑支护形式多种多样，包括放坡、重力式水泥挡土墙、地下连续墙、钢板桩支护、双排桩围护支护和土钉墙支护。不同的支护形式各有优缺点，在工程设计中应根据实际工程概况采用相对最优的支护形式，既要避免采用不能突出反映工程问题的简单模型，又要避免采用需确定较多参数的复杂模型。

重力式挡土墙、地下连续墙、钢板桩支护、双排桩支护以及土钉墙支护等方式，造价高且施工难度大。该场地各项条件都满足放坡支护形式，且放坡既操作简单，工程造价又相对较低，在综合考虑多种因素后[2-5]，本基坑采用天然放坡+挂网喷浆支护方案，侧壁安全等级为二级，设计使用期限为12 个月。坡面按照坡比1:1 放坡，集水坑、电梯井按照30°角进行放坡，施工坡道侧壁按照1:2放坡挂网喷浆支护。放坡时，采用机械进行分层、分段挖土，机械挖到预定深度后再采用人工整修坡，坡面平度按照规范要求允许偏差+20mm。深度和水平间距，根据设计要求采用刚尺定出孔位，再砸入固定钉，铺设成品网，加强筋则铺至坡顶，并使之与坡顶固定钉焊接在一起。坡顶设护栏及挡水墙，并在面层上埋设泄水管。排水沟和集水坑设置在基坑底部，沟宽和沟深均为0.30m，沟底应设0.3%坡度，坡向集水坑。

3 监测方案及结果分析

根据基坑支护设计文件，本项目采用等级为二级的基坑侧壁安全等级。依据《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497-2019）基坑工程设计要求以及参考本地区同类工程经验，综合确定本基坑工程的监测项目和监测内容为基坑坡顶的水平位移和基坑坡顶的竖向位移。监测按照二级基坑变形控制要求，其监测范围确定为基坑本体以及二倍基坑开挖深度范围内的环境。每3～5 天监测一次坡顶水平位移和坡顶竖向位移，监测点布置如图1所示。

图1 基坑监测点位图

4 基坑数值模拟

4.1 计算模型

土体的应力应变关系很复杂，且具有非线性、弹塑性、剪胀性和各向异性等特性。大多数学者所提出的土体本构模型都只能模拟在某种加载条件下某类土的特性，没有一种本构模型能准确、全面地表达任何加载条件下各类土体的本构特性。根据文献，本文采用Drucker-Prager 模型，该模型最大的优点是计算相对简单且参数较少，在考虑屈服和强度受静水压力影响的同时，也综合考虑了岩石类材料的扩容性以及剪胀性，相对比较符合实际的土体情况[6]。该D-P模型的屈服面方程为：

c，ϕ分别为土的粘聚力和内摩擦角。

本文采用ANYSYS有限元分析软件建立平度市该基坑项目的三维模型。采用弹塑性体本构模型作为土体的本构关系，以Drucker-Prager 作为屈服准则，土体采用solid45 实体单元，为了尽可能准确，在模拟过程中不同土层采用不同的材料参数进行模拟，支护使用Shell181 壳单元进行模拟。顶面的边界条件采用自由边界，其他面则采用法向约束作为边界条件[6]，主要地层情况及物理力学计算参数如表1所示。

表1 地层物理力学计算参数

根据基坑设计文件的挖深，本次基坑模型计算范围如图2 所示，施工开挖模拟方案说明如表2 所示，模拟工序如图3所示。

表2 施工模拟阶段说明

图2 基坑计算模型范围图

图3 模拟工序图

4.2 模拟变形分析

基坑施工过程中，模拟各步序得到的水平和垂直变形云图分别如图4 和图5 所示，土体的变形主要为水平位移变形和垂直方向的沉降变形。

图4 模拟工序水平变形云图

图5 模拟工序垂直变形云图

由图4 可看出，基坑水平变形随着基坑开挖深度出现偏向基坑侧的位移变形，且当基坑开挖至基底时，水平变形达到最大值为-18.8mm。

由图5 可看出，基坑土体垂直方向的变形主要是沉降，且主要集中在基坑中部的外侧，向左右两侧逐渐减少，最大变形值为-3.5mm。坑底垂直变形为隆起，主要集中在中部，最大值为-4.7mm，主要与土体的卸载有关，导致了土体进行重力重分布。

4.3 模拟与监测对比分析

选取基坑北侧、南侧、西侧若干监测点的数据，与模拟数据进行对比（见表3），可以看出现场监测的水平与竖直累计位移量均在合理范围内，且小于数值模拟的位移值，说明该基坑放坡+挂网喷浆的支护方案选取合理。

表3 模拟与监测位移对比

5 结论

本文利用ANYSYS有限元软件建立的三维模型，直观展示了基坑支护结构的位移变化，通过模拟的变形数据与监测数据进行对比分析，数值模拟与监测值的误差均较小，且变化范围基本一致，说明模型的设置以及支护方式的选择均合理，有限元模拟可在一定程度上为基坑支护方式的选择与设计提供参考依据。由于土体的复杂性以及假定计算条件与实际工况会存在差异，所以在整个模拟过程中还应根据监测结果反向改进模拟参数的设置。