周振鴻 孫華波 呂 果 曹世超

（建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007）

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間的開發(fā)和利用已是大勢所趨，基坑開挖也正向著更深、更大、更復(fù)雜的方向發(fā)展，作為保證地下深基坑開挖施工安全及周邊建筑物穩(wěn)定的支護(hù)技術(shù)成為土木工程專業(yè)研究的重要課題[1?2]。近年來，利用數(shù)值模擬對深基坑工程進(jìn)行研究的學(xué)者也越來越多[3]，朱現(xiàn)磊等利用FLAC3D 研究了深基坑側(cè)壁水平位移、變形沉降以及坑底隆起量等變形指標(biāo)隨深基坑開挖全過程的變化情況[1]。楊 敏等以上海世博地下變電站基坑工程為例，運(yùn)用FLAC3D 軟件模擬了基坑開挖的全過程，分析了基坑周邊地表沉降與土體的彈性模量以及地下連續(xù)墻厚度、剛度等的關(guān)系[4]。鄭杰明等結(jié)合某一深基坑實(shí)例，采用FLAC3D 軟件進(jìn)行模擬，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形等規(guī)律[5]。眾多學(xué)者結(jié)合數(shù)值模擬對深基坑進(jìn)行了研究，但目前大多數(shù)工程的研究主要集中在開挖十幾米的深度，25 m 以上深度的大基坑案例相對較少[6?7]，因此，本文以中國人民解放軍總醫(yī)院27.4 m 深大基坑工程為實(shí)例，運(yùn)用FLAC3D 5.0 有限差分軟件對深大基坑工程建立數(shù)值模型，模擬了該深基坑工程開挖過程的變形問題，并結(jié)合現(xiàn)場的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析了基坑水平位移、樁體深層水平位移、豎向位移、錨桿軸力以及基坑周邊道路沉降變形的變化規(guī)律，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 研究區(qū)概況

研究工程位于中國人民解放軍總醫(yī)院院內(nèi)，基坑?xùn)|西長約220 m，南北寬約112 m，主樓地上14 層總高度70 m，采用框架結(jié)構(gòu)–剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式采用筏板基礎(chǔ)。本工程均設(shè)有5、6 層地下室，基坑深度27.4 m。基坑側(cè)壁安全等級為一級，重要性系數(shù)取1.1，設(shè)計(jì)使用年限為一年?；踊A(chǔ)外緣西側(cè)距離門診樓距離18.0 m，正南側(cè)距離醫(yī)療樓A 段最近處僅2.35 m，東南角距離東病房樓最近處為3.09 m，東北角距離康馨大廈最近處8.0 m，其余相鄰為空地及道路。整個(gè)基坑周邊對位移變形要求較高。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，工程區(qū)土層自上而下依次分為人工堆積層、第四系沉積層以及古近系–新近系基巖地層三大類，共八個(gè)地層。依次為雜填土、粉細(xì)砂、黏質(zhì)粉土、卵石、黏質(zhì)粉土、卵石、粉質(zhì)黏土、卵石，設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬過程中各土層土體物理力學(xué)參數(shù)選取見表1；場地內(nèi)有一層地下水，為潛水，水位埋深約28.0 m，水位標(biāo)高約31.5 m，含水層為卵石，可不考慮開挖時(shí)地下水對基坑的影響。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

1.3 樁錨聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

該深大基坑工程有如下三個(gè)特點(diǎn)：（1）基坑深度大，達(dá)到27.4 m，地層以粉細(xì)砂與卵石層為主；（2）基坑較大，長約220 m，寬約112 m；（3）場地周邊情況比較復(fù)雜，對基坑位移量要求嚴(yán)格。

本基坑采用國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120?2012）進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，綜合考慮場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及基坑開挖深度等，將該基坑分為14 個(gè)不同的剖面，均采用樁錨支護(hù)。以典型剖面4-4 剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)參數(shù)見圖1。

圖1 基坑4-4 剖面樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

1.4 基坑監(jiān)測

為了保證施工期間基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)本身及周邊環(huán)境的安全和穩(wěn)定，對基坑內(nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)以及施工影響范圍以內(nèi)的道路、地下管線和建筑物進(jìn)行安全監(jiān)測，并且為數(shù)值模擬提供對比參考數(shù)據(jù)。綜合北京地區(qū)的深基坑施工經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497?2009），確定基坑變形監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)見圖2，監(jiān)測指標(biāo)的控制值、報(bào)警值及預(yù)警值取值見表3。

圖2 基坑周邊環(huán)境沉降監(jiān)測點(diǎn)位平面布置圖

2 數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

選取基坑典型剖面4-4 利用FLAC3D 5.0 數(shù)值建模。依據(jù)圣維南原理確定模型計(jì)算尺寸為長50 m，寬90 m，高65 m。土體采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，開挖模擬采用FLAC3D 中的NULL 模型進(jìn)行模擬?？紤]深基坑坑邊荷載，地面荷載取值為20 kPa。邊界條件設(shè)定為：基坑底部固定，四周側(cè)面邊界法向固定、切向自由，基坑頂部為自由邊界，數(shù)值計(jì)算模型圖見圖3。支護(hù)體系模擬中，護(hù)坡樁用Pile 單元模擬，梁用Beam 單元模擬，錨桿用Cable 單元模擬[8]。

圖3 數(shù)值模型圖

2.2 水平位移分析

基坑水平位移監(jiān)測的目的在于及時(shí)掌握在開挖過程中樁體等支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移的大小及其方向[9]，模擬分析時(shí)運(yùn)用FLAC3D 中的HIST 功能，記錄了基坑開挖與支護(hù)過程中隨著開挖深度的增大，樁頂水平位移的變化情況，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，見圖4。

由圖4 可以看出監(jiān)測點(diǎn)與模擬點(diǎn)變化趨勢類似，均表現(xiàn)出隨著基坑開挖深度的增大而增大，最終趨于平穩(wěn)的變形趨勢。

表2 基坑監(jiān)測變形監(jiān)控指標(biāo)

圖4 水平位移隨開挖深度的變化圖

2.3 豎向位移分析

隨著基坑的開挖，基坑周邊的豎向變形和變形影響范圍在不斷增大，開挖至基坑底部時(shí)地面豎向變形達(dá)到最大值8 mm；在距離基坑較遠(yuǎn)的地方，地表變形值趨向于0，說明在基坑的開挖工程中，對于距基坑邊緣較遠(yuǎn)區(qū)域的周邊地表影響甚微（見圖5）。

圖5 基坑豎向位移模擬變化圖

2.4 樁體深層水平位移變形規(guī)律

作為分析施工過程中穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，深基坑樁體的深層水平位移可以反映出樁體在周圍土壓力作用下的變形規(guī)律，故樁體的深層水平位移監(jiān)測一直是深基坑監(jiān)測中的重要一項(xiàng)[10]。通過分析深層水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)掌握工程的穩(wěn)定性以及質(zhì)量，并由此來指導(dǎo)基坑工程的下一步施工，確保基坑工程的安全穩(wěn)定。本次選取基坑邊上的測斜孔C1 點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)值與數(shù)值分析所得的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析樁體深層水平位移的變形規(guī)律。

據(jù)圖6，隨著開挖深度的增大，基坑周圍土體產(chǎn)生較大的側(cè)向土壓力[11]，使樁體的水平位移值不斷增大，在開挖深度約7.5 m 處，監(jiān)測和模擬變化曲線都出現(xiàn)了拐點(diǎn)，這里是兩個(gè)地層變化的地方，除了地層因素之外，施工的第二道錨桿，其荷載比第一道錨桿荷載增長較多，對土體的拉力起到了更大的作用，因此即使隨著深度的增大，位移仍呈現(xiàn)穩(wěn)定或者變小的趨勢。

圖6 樁體深層水平位移隨開挖深度變化圖

2.5 錨桿軸向應(yīng)力分析

錨桿軸力監(jiān)測變化見圖7?？梢钥闯觯海?）隨著基坑分步開挖的進(jìn)行，各道錨桿依次施工，錨桿軸力越來越大；（2）下道錨桿對上一道錨桿的影響很小，這是因?yàn)槭┕み^程中，錨桿存在較大的預(yù)應(yīng)力損失[12]，使其對樁體的約束作用減弱；（3）第五道錨桿軸力大幅度減小，推測可能由于施工的機(jī)械對錨桿產(chǎn)生了干擾，縱觀其余各道錨桿軸力，有部分軸力值增大，該變化體現(xiàn)了各道錨桿間相互協(xié)調(diào)共同起到支護(hù)作用的空間作用效應(yīng)。

圖7 錨桿軸力監(jiān)測變化圖（注：工況單數(shù)為開挖）

2.6 基坑周邊道路沉降變形規(guī)律

深基坑周邊道路沉降變形可以直觀地反映出基坑開挖過程中對周邊環(huán)境的影響。選取基坑DB-1斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，以此來總結(jié)分析深基坑工程的開挖對周邊環(huán)境的影響。在該斷面上共布設(shè)4 個(gè)道路沉降監(jiān)測點(diǎn)，分別是D4、D5、D6 和D7，四個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在不同時(shí)期采集的基坑周邊地表變形的曲線圖見圖8。

圖8 基坑周邊道路隨時(shí)間沉降量

從圖8 可以看出，在基坑開挖初期，周邊道路的沉降值不大，隨著基坑開挖深度增加，周邊地面變形量逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，累計(jì)沉降量為2.3～4.8 mm。在施工結(jié)束后其沉降量沒有立刻穩(wěn)定，有一定的滯后性，可能是由土體的側(cè)向效應(yīng)[13]引起的。雖然深基坑工程的開挖引起了基坑周邊道路的沉降變形，但是從沉降監(jiān)測值可以看出變形量很小，最大的僅4.8 mm，遠(yuǎn)小于沉降監(jiān)測預(yù)警值20 mm，完全滿足工況安全要求，說明本次深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支護(hù)體系的選擇是合理有效的。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用FLAC3D 軟件對基坑開挖過程進(jìn)行了數(shù)值分析，并將結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，二者的變化趨勢較為吻合，表明基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工安全合理，驗(yàn)證了樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)在該基坑的適用性，可為北京地區(qū)類似工程深基坑設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測提供數(shù)據(jù)參考。

（2）深大基坑深度達(dá)27.4 m，選用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效限制基坑水平位移，實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)最大水平位移僅為7.2 mm；樁體深層水平位移在7.5 m 處附近變化值達(dá)到最大；開挖至基坑底部時(shí)豎向位移達(dá)到最大，距離基坑較遠(yuǎn)處位移幾乎為0；周邊道路沉降隨基坑開挖深度和時(shí)間的增加而增大，最終趨于穩(wěn)定，最大值為4.8 mm，說明對周邊環(huán)境影響甚微，基坑工程的設(shè)計(jì)是偏安全的。

（3）錨桿軸力存在一定的預(yù)應(yīng)力損失，其數(shù)值隨著開挖深度的增大而增加，但最終趨于穩(wěn)定；各道錨桿相互協(xié)調(diào)，與樁體共同起到支護(hù)的作用；方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選取預(yù)應(yīng)力值，防止錨桿拉抻破壞。