深基坑变形和内力监测数据与有限元理论数据对比研究

　　摘要:深基坑变形和内力的发展变化规律是深基坑设计和施工中所要考虑的最为主要的一个因素。本文结合某超深基坑工程，将通过有限元分析得到的理论数据与通过监测得到的实测数据进行对比研究，分析理论结果误差产生的原因以及理论结果对实际监测结果的借鉴价值，对深基坑的设计、施工和监测都提出了一定的建议。
　　关键词:深基坑，有限元，监测，变形，对比研究
　　1工程概况
　　本文采用的工程实例为某周边环境极复杂的深基坑工程。根据现场条件，基坑西侧为正在运营的外科大楼，距基坑边距离为10m；北侧为正在使用的磁共振室，楼层数为4层，基础为深层搅拌桩复合地基，墙外边距基坑边距离为2.1m，该侧另有需保护的百年古建筑（砖木结构），距基坑边最小距离为5.6m，该建筑物对沉降特别敏感；东南侧为正在使用的居民用房，为一层砖结构，部分用泥砌筑，距基坑边最小距离为5.4m；西南侧为正在使用的伽玛刀治疗中心，距基坑边最小距离为13.7m。基坑开挖深度9.3m～13.8m，基坑平面图如图1所示。
　　图1基坑平面示意
　　2施工监测数据
　　结合设计要求及现场情况，必须做如下项目测试:①土钉墙顶位移观测;②支撑沉降监测;③支护结构顶位移观测;④支撑轴力监测;⑤支护结构深层位移监测;⑥周边建筑物沉降监测;⑦坑外地下水位监测;⑧基坑周围地表沉降。
　　2.1支护结构位移观测点
　　在支护结构圈梁顶打入或埋入钢制测钉，顶部露出地面约3～5cm并磨成凸球面，周围用混凝土加固。
　　在支护桩体的12个部位各布置1只水平位移测孔(测斜管)，管长以与桩长同长为准。依照设计位置，在桩体中预先埋设测斜管，测斜管的管口用封盖盖好并做好保护箱，避免测斜管被损坏。
　　2.2支撑轴力监测
　　在支撑体系中选择有代表性部位安装轴力计，一共埋设11个测点，每个测点上布设置2个轴力计，用频率计测读。
　　2.3邻近建筑物倾斜监测
　　该基坑施工影响的建筑物主要有磁共振室、需重点保护的古建筑、砖砌筑民房等建筑，我们将在上述建筑物的基础、墙面上预钻孔至结构层，将L型钢筋埋入，钢筋上部磨成凸球型，并浇注混凝土予以固定，如图2所示。
　　2.4基坑周围地表沉降观测
　　在观测点处打入或埋入钢制测钉，顶部露出地面约3～5cm并磨成凸球面，见图3。
　　2.5地下水位的监测
　　1)测点埋设:测点埋设采用地质钻机钻直径89mm孔，水位孔的深度在最低设计水位之下(坑外孔深同基底)。成孔后放入裹有滤网的水流入。水位管用55mm的PVC塑料管作滤管，管底加盖密封，防止泥砂进入管中。下部留出0.5～1.0m深的沉淀管(不打孔)，用来沉积滤水段带入的泥砂。中部管壁周围钻6～8列6mm孔，纵向间距5～10cm，相邻两列的孔交错排列，呈梅花形布置。管壁外包扎滤网或土工布作为过滤层，上部再留出0.5～2.0m不打孔作为管口段，以保证封口质量(如图4)。
　　2)量测及计算:通过水准测量测出孔口高程H，将探头沿孔套管缓慢放下，当测头接触水面时，蜂鸣器响，读取测尺读数h，则地下水位。两次观测地下水位之差即水位的升降数值。
　　3实测数据与计算数据的对比
　　3.1连续墙位移对比分析
　　现在从1-1剖面(见图1)分析支护结构的位移规律，表1给出了有限元计算结果和实测值的比较。
　　表1实测值和计算值的比较
　　工况 项目 实测值 计算值
　　一 向坑内的最大位移值/mm
　　作用深度/m 0.38
　　0 0.120
　　0
　　二 向坑内的最大位移值/mm
　　作用深度/m 2.78
　　-4.2 2.762
　　-5.6
　　三 向坑内的最大位移值/mm
　　作用深度/m 4.65
　　-6.3 4.71
　　-6.6
　　四 向坑内的最大位移值/mm
　　作用深度/m 4.65
　　-8.0 4.71
　　-9.3
　　从表1可以看出，有限元计算得到的结果与实测位移有一定的差异。其中工况一计算得的位移值比实测的小很多，其可能的原因是施工过程中，施工方在施工完支护结构之后，进行了浅层土体的开挖，并进行了圈梁的施工。这样在架设第一道支撑之前停滞了很长一段时间，造成了支护结构持续变形的积累，使得在第一道支撑浇筑时支护结构的位移已经变大，从而造成了实测值比计算值大一些的结果。
　　工况二、三计算的结果与实测值吻合得较好，因为在实际施工过程中该阶段施工较为顺利。工况四中，计算所得作用深度最大值比实测的深一些，这一现象的形成，说明了实际工程中的施工情况与计算工况有所不同。造成这一现象的原因可能是，在施工过程中，基坑周围的荷载堆积比较多，由于工地施工场地的限制，材料经常会放置在基坑周围，这些基坑周围的移动荷载会对支护结构的位移造成一定的影响，特别是对支护结构上面4～5m部分的位移影响更大。因此，这有可能会造成支护结构在较浅的位置产生最大的位移，而不是计算所得的较深的位置。
　　从多个剖面的数值模拟来看，位移曲线的变化规律还是比较一致的。由于开挖的基坑宽度不同以及浇筑支撑的不同，位移曲线会略有不同。大体上在地面以下7～8m处出现最大位移，最大位移值与基坑开挖深度及基坑开挖宽度有关，基坑开挖深度相同，开挖的宽度越大，最大位移值也会越大。如1-1剖面开挖的宽度44m，最大位移值为7.361mm;2-2剖面开挖宽度80.546m，最大位移值10.159mm。当然位移值的大小也与基坑周围的土质情况有关。
　　基坑支护结构最大侧移为基坑开挖深度的0.1%～0.6%，平均值为0.3%。连续墙侧向变形形态通常为深层凸鼓形，支护结构顶部和底部侧向变形较小，支护结构最大侧移点深度一般位于开挖面以上1.5m至开挖面以下7m范围。
　　3.2地表沉降分析
　　对于数值计算来说，对比多个剖面的地表沉降，可以看出沉降变化的总体趋势是一致的。在基坑开挖的初期，基坑附近的土体有轻微的隆起，但在实测中很难有所反应。主要是因为施工的影响，基坑周围环境比较复杂，堆积物也比较多，很难体现土体的隆起。随着基坑的开挖，在基坑周边的土体会沉降较大。本文所采用的实例中，基坑开挖14m对基坑边10m以内的范围影响较大，10m外的沉降比较均匀，沉降值与实测值吻合比较好。有差异的测点有可能是在实际施工过程中地面车辆以及堆载引起的误差。
　　3.3支撑轴力的比较分析
　　对比三个剖面的支撑轴力，变化规律是比较一致的。表2所示为3-3剖面支撑轴力对比结果。
　　表23-3剖面支撑轴力对比分析KN
　　工况 测点编号 实测值 计算值
　　一 Z7 -50.8 -46.6
　　二 Z7 -420.4 -390.6
　　三 Z7 -999.6 -970.3
　　四 Z7 -1380.3 -1280.5
　　从表2的对比可以看出，实测值与计算值还是比较吻合的。第一、二道支撑在架设后轴力逐渐增大，在基坑开挖至设计标高后，支撑轴力达到最大值。在基坑开挖初期，一般计算的轴力小于实测值，可能是支撑在浇筑初期还没充分发挥其作用，随着基坑内土体的开挖支撑轴力逐渐发挥。在基坑开挖深度较深时，实测值明显比计算值要大，这是因为实际开挖阶段基坑周围的情况比较复杂，对支撑轴力影响比较大，在数值模拟中很难全面考虑。
　　4结论
　　本基坑工程地下水丰富，上部土体强度低，以支护桩做为围护结构，采用两道混凝土支撑，形成了刚度较大的支护体系。数值模拟结果表明，支护结构位移、支撑轴力、地表位移等满足设计的要求，且整体效果较好。
　　总体来看，用Plaxis模拟基坑开挖的过程，能够基本反应基坑变形、破坏的规律，但基坑在实际施工过程中，基坑的变形、支撑轴力等受基坑周围的环境影响很大。基坑周围的过度堆载，基坑边车辆的运行、停放，都可能导致地表沉降增大，支护结构位移变大，支撑轴力变大。如果堆载不对称，还有可能导致基坑两侧向一个方向倾斜的现象，对基坑的稳定十分不利。施工过程中由于各种原因的延期施工，对已开挖的基坑十分不利，由于停滞时间过长会造成位移的积累，对施工安全不利。
　　参考文献
　　［1］刘建航，候学渊．基础工程手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，1997:159-162．
　　［2］唐世强．地铁深基坑支护体系内力及变形规律分析［J］．铁道建筑，2008(11):35-39．
　　［3］奚光宇．北京地铁明挖基坑的监控量测［J］．铁道建筑，2010(12):53-56．
　　［4］朱伯芳．有限单元法原理及应用［M］．北京:水利电力出版社，1979．
　　［5］陈希哲．土力学地基基础［M］．北京:清华大学出版社，1989．
　　［6］俞建霖，赵荣欣，龚晓南．软土地基基坑开挖地表沉降量的数值研究［J］．浙江大学学报，1998，32(1):95-101．

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