基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基坑開挖有限元反演計(jì)算

王利民,吳 波,張 俊

(上海眾材工程檢測(cè)有限公司,上海市 201209)

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基坑開挖有限元反演計(jì)算

王利民,吳 波,張 俊

(上海眾材工程檢測(cè)有限公司,上海市 201209)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,深基坑工程面臨的周邊環(huán)境越來越復(fù)雜,因此深基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響的分析越來越重要。結(jié)合上海軟土地區(qū)某深基坑工程,采用有限元軟件PLAXIS模擬基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響分析,并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)土層參數(shù)進(jìn)行反演,利用反演結(jié)果建立的有限元模型對(duì)后續(xù)工況進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算,將預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析,進(jìn)一步檢驗(yàn)數(shù)值模型的合理性,結(jié)果驗(yàn)證了反演所得數(shù)值模型的合理與可靠,為上海等軟土地區(qū)其他深基坑工程提供了有益的參考。

深基坑工程；數(shù)值模擬；反演計(jì)算；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,基坑工程也在向深、大、難等方向發(fā)展。在發(fā)達(dá)城市,尤其北京、上海等超大城市,深基坑工程的周邊環(huán)境往往比較復(fù)雜,臨近管線、地鐵、民宅、變電站、道路等各類構(gòu)筑物,這就對(duì)深基坑工程的施工提出了更高的要求［1］。

早在上世紀(jì)三四十年代,太沙基等學(xué)者就根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出了開挖深度與周邊地面沉降等的計(jì)算公式［2］。近三十年來,相關(guān)研究更是豐富：Boone［3］基于上部結(jié)構(gòu)、土體、基礎(chǔ)等特性提出了建筑物受損估算方法；范益群等［4］將隧道新奧法施工的時(shí)空效應(yīng)法引入進(jìn)軟土基坑工程；Finno等［5］有無支護(hù)體系兩種情況下的基坑開挖對(duì)建筑物的影響；Leung等［6］通過離心機(jī)試驗(yàn)研究了黏性土地基中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊線的時(shí)間效應(yīng)；Vorster［7］、徐中華等［8］在大量基坑工程數(shù)據(jù)匯總分析的基礎(chǔ)上,分別給出了開挖深度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；劉忠昌［9］運(yùn)用FLAC軟件模擬了深基坑開挖過程中的地下管線變形；應(yīng)宏偉等［10］利用ABAQUS軟件模擬了深基坑開挖過程中隔斷墻保護(hù)鄰近建筑物的效果；鄭剛［11］采用PLAXIS軟件研究了鄰近建筑物受基坑開挖的影響情況。

綜上,當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者就基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行了大量研究,但是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料對(duì)土層參數(shù)進(jìn)行反演并用于后續(xù)工況預(yù)測(cè)方面所進(jìn)行的研究工作還較少。該文正是基于前人研究基礎(chǔ)上,以上海軟土地區(qū)某深基坑工程為例,利用有限元軟件PLAXIS模擬基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響,并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果反演土層參數(shù),用于指導(dǎo)后續(xù)工況施工。

1 工程概況

某深基坑工程位于上海軟土地區(qū)。項(xiàng)目總用地面積約2萬m2?，F(xiàn)場(chǎng)為空地。周邊環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單。

上部建筑物由高層寫字樓及低層裙樓組成,其下均有四層地下室,基礎(chǔ)埋深約20 m?；娱_挖深度20 m。采用地下連續(xù)墻圍護(hù),插入比1∶1,豎向采用四道鋼筋混凝土支撐。

由于該工程上海典型軟土深基坑,因此擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),為了將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更加深入的為后續(xù)工況施工及日后類似工程提供參考,該工程嘗試采用數(shù)值模擬方法對(duì)深基坑工程進(jìn)行反演預(yù)測(cè)。

2 反演預(yù)測(cè)方法及模型建立

2.1 反演預(yù)測(cè)方法

具體反演方法及過程為：

(1)根據(jù)地質(zhì)勘察資料和試驗(yàn)結(jié)果確定地基各土層初始的厚度、壓縮模量等土層參數(shù),地基的計(jì)算深度取地質(zhì)勘察深度。根據(jù)地質(zhì)勘察資料提供的土層參數(shù)。

(2)根據(jù)地基各土層的厚度、壓縮模量等參數(shù)建立有限元模型,計(jì)算深基坑周邊重要部位的位移值。

(3)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料,對(duì)各土層的壓縮模量等主要參數(shù)進(jìn)行反演。

(4)根據(jù)各土層反演所得參數(shù),重復(fù)第(2)步和第(3)步,直到所得計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)典型監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。

(5)根據(jù)第(4)步最后反演所得各土層參數(shù),對(duì)基坑后續(xù)施工工況進(jìn)行預(yù)測(cè),為后續(xù)施工和其他類似工程的施工提供參考。

2.2 基坑模型的建立及分析方法

2.2.1 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)該基坑的基本情況建立數(shù)值模型,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果,將部分性質(zhì)相近的土體合并,將基坑所在地區(qū)的土層大致分為8層。本次分析首先模擬土體初始地應(yīng)力場(chǎng),然后模擬分步開挖施工和支撐結(jié)構(gòu)施工,水平方向按照實(shí)際的基坑尺寸建模,考慮一定的開挖影響范圍,模型水平方向總長(zhǎng)取80 m,基坑內(nèi)側(cè)按照對(duì)稱原則選取一半基坑長(zhǎng)度(20 m)；豎直方向則取地表以下60 m。模型左邊界施加X向位移約束,底邊界施加X、Y向約束,右邊界施加對(duì)稱約束。采用三角形15節(jié)點(diǎn)單元模擬土體、水泥土加固區(qū),采用梁?jiǎn)卧M圍護(hù)樁,采用彈性支座模擬支撐,基坑數(shù)值模型見圖1。考慮施工中基坑附近的施工荷載以及基坑周邊的道路交通荷載,在距基坑壁一定范圍內(nèi)施加均布荷載20 kN/m2。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

2.2.2 計(jì)算參數(shù)選取

依據(jù)地勘提供鉆孔柱狀圖,確定了該深基坑周圍土體的初始參數(shù),設(shè)定的各層土的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1(分為八個(gè)土層：1填土,2粉質(zhì)粘土,3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,4淤泥質(zhì)粘土,5粘土,6粉質(zhì)粘土,7粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土,8砂質(zhì)粉土)。因?yàn)樵诨娱_挖之前已經(jīng)進(jìn)行了基坑降水處理,因此不考慮地下水對(duì)基坑變形的影響。

2.2.3 施工工況

主樓區(qū)基坑開挖的關(guān)鍵過程可以分為以下幾個(gè)工況：

表1 地勘土體參數(shù)表

工況1：基坑降水達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,進(jìn)行土方開挖至-2.5 m標(biāo)高,然后開槽施工第一道圍檁(壓頂梁)和支撐；

工況2：待第一道支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,進(jìn)行土方開挖至-8.0 m標(biāo)高,然后開槽施工第二道圍檁和支撐；

工況3：待第二道支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,進(jìn)行土方開挖至-12.5 m標(biāo)高,然后開槽施工第三道圍檁和支撐；

工況4：待第三道支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,進(jìn)行土方開挖至-16.5 m標(biāo)高,然后開槽施工第四道圍檁和支撐；

工況5：待第四道支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,進(jìn)行土方開挖至-20.0 m標(biāo)高,及時(shí)澆筑墊層。

3 數(shù)值模擬反演計(jì)算

由于工況1現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常,因此本次反演以截止開挖至第三道支撐的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)值計(jì)算的對(duì)比依據(jù)。

經(jīng)按反演步驟(2)重復(fù)多次計(jì)算后所得結(jié)果見圖2-圖5。

圖2 工況2地下連續(xù)墻水平位移數(shù)值反演計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖

圖3 工況3地下連續(xù)墻水平位移數(shù)值反演計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖

圖4 工況2下基坑周圍豎向沉降數(shù)值反演計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖

圖5 工況3下基坑周圍豎向沉降數(shù)值反演計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖

圖2、圖3表明,地下連續(xù)墻水平位移計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)值對(duì)比,顯示地下連續(xù)墻的水平位移計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)值的規(guī)律大體一致,圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移都表現(xiàn)為“大肚”型,即中間大兩頭小,符合軟土地區(qū)測(cè)斜變化的一般規(guī)律。說明了利用反演所得參數(shù)(見表2)建立的數(shù)值模型可以較好的模擬實(shí)際施工中地下連續(xù)墻的水平位移情況。

表2 反演后的土體參數(shù)表

圖4、圖5的數(shù)值模擬計(jì)算值和監(jiān)測(cè)值對(duì)比發(fā)現(xiàn),圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移孔隨基坑開挖深度的增加,其深層側(cè)向位移也不斷增大,其最大變化點(diǎn)也隨開挖深度的增加而下移。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致,說明了利用反演所得參數(shù)建立的數(shù)值模型可以較好的模擬實(shí)際施工下坑周地表沉降情況。

4 數(shù)值模擬反演預(yù)測(cè)計(jì)算與實(shí)際對(duì)比

依據(jù)第3節(jié)反演計(jì)算所確定的數(shù)值模型,模擬工況4及工況5情況下的位移,所得結(jié)果見圖6-圖7。

圖6 工況4及工況5地墻水平位移預(yù)測(cè)

圖7 工況4及工況5坑周地表沉降預(yù)測(cè)

圖6、圖7的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)值表明,地下連續(xù)墻最大水平位移為71.4 mm＜80 mm,滿足規(guī)范規(guī)定一級(jí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移不大于0.4%H(H為基坑開挖深度)；坑周土體最大沉降為27.4 mm＜50 mm,滿足規(guī)范規(guī)定一級(jí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移不大于0.25%H。因此后續(xù)施工引起的周邊環(huán)境影響是可控的。

圖8、圖9的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)值對(duì)比發(fā)現(xiàn),基坑地下連續(xù)墻水平位移及周圍地表沉降數(shù)值及整體趨勢(shì)一致。驗(yàn)證了反演所得數(shù)值模型的可靠性。

圖8 工況4及工況5地墻水平位移預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)對(duì)比圖

圖9 工況4及工況5坑周地表沉降預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)對(duì)比圖

5 其他工程應(yīng)用

上海閔行某泵站基坑面積較小,僅為7.8 m× 6.9 m,開挖深度8.6 m。采用φ600@700灌注樁+2排φ800旋噴樁圍護(hù)開挖施工。灌注樁樁長(zhǎng)15 m,插入比為1∶0.74。

工況1：開挖第一層土(-1.2 m)、施工第一道鋼筋混凝土支撐；

工況2：開挖第二層土(-5.2 m)、施工第二道鋼支撐；

工況3：基坑開挖至坑底、施工墊層及底板。

圖10 計(jì)算模型圖

表3的數(shù)值模擬反演計(jì)算結(jié)果表明,利用反演所得土層參數(shù)計(jì)算的坑周土體及居民樓沉降與監(jiān)測(cè)值基本一致,可以用于預(yù)測(cè)下一工況。反演與地勘參數(shù)對(duì)比見表4。

表3 工況1和2坑周土體及居民樓最大沉降計(jì)算與監(jiān)測(cè)對(duì)比

表4 反演與地勘土體主要參數(shù)對(duì)比表

工況3的計(jì)算結(jié)果表明最大坑周土體沉降為21.4 mm＜0.25%H=21.5 mm,滿足規(guī)范要求；17層小高層最大沉降為9.8 mm,滿足其安全要求。但為了減少基坑周邊變形,推薦基坑底部土體采用壓密注漿進(jìn)行加固,加固深度為基坑底面以下3.0 m。

與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比見表5,進(jìn)一步證明了該文提出反演計(jì)算方法的可行性。

表5 工況3坑周土體及居民樓最大沉降計(jì)算與監(jiān)測(cè)對(duì)比

6 結(jié)語

該文提出了軟土地區(qū)深基坑有限元反演計(jì)算方法,依據(jù)較早工況的基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演土層參數(shù),利用反演所得參數(shù)建立數(shù)值模型,用于預(yù)測(cè)后續(xù)工況的施工影響,并與實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)比,得出以下結(jié)論：

(1)采用該文提出的反演預(yù)測(cè)方法,經(jīng)某深基坑工程實(shí)踐驗(yàn)證是可行的,可供類似工程參考。

(2)基于某深基坑工程的工況2及工況3的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)某工程深基坑工程土層參數(shù)反演計(jì)算,所得模型用于預(yù)測(cè)后續(xù)工況4及工況5的地下連續(xù)墻水平位移及坑周土體沉降,經(jīng)后續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)比,能夠較好的預(yù)測(cè)該基坑后續(xù)開挖工況下的墻體水平變形規(guī)律和深基坑周圍土體沉降的規(guī)律。

(3)某深基坑工程后續(xù)工況的預(yù)測(cè)位移是可控的,若超出規(guī)范要求,可根據(jù)預(yù)測(cè)情況結(jié)合實(shí)際工程調(diào)整設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì),以確保工程的每一個(gè)工況施工的安全。

(4)將該文提出的反演預(yù)測(cè)方法用于上海某泵站基坑坑周土體及居民樓沉降計(jì)算,較好的指導(dǎo)了工程的施工。

(5)根據(jù)該文工程實(shí)例反演分析結(jié)果表明：2粉質(zhì)粘土層的壓縮模量計(jì)算時(shí)應(yīng)不超過8 MPa,而該地區(qū)地勘報(bào)告中常見為8～10 MPa,建議地勘對(duì)該層土的取值可在試驗(yàn)值的基礎(chǔ)適當(dāng)調(diào)??；8砂質(zhì)粉土層的壓縮模量計(jì)算時(shí)可在地勘值的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高,主要在于其埋深較深,取樣擾動(dòng)可能導(dǎo)致其實(shí)際壓縮模量大于試驗(yàn)值。

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TU473.2

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1009-7716(2015)09-0205-05

2015-07-05

王利民(1965-),男,河南登封人，高級(jí)工程師,主要從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)及建筑工程質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估工作。