全断面基坑变形计算方法研究①

廖 斌

(同济大学地下建筑与工程系，上海200092)

0 引言

随着我国经济和城市建设的迅速发展，地下工程愈来愈多，开发利用地下空间的要求日显重要．基坑开挖过程中，土体、支护结构以及基坑周围建筑物不可避免地会受到基坑开挖的影响;此外，基坑开挖是一个动态的过程，土体介质性态受开挖影响不断发生变化，导致计算参数的不确定[1]．因此，如何准确地分析和预测开挖产生的变形、实现信息化动态施工已成为一个严峻的课题[2－4]．

目前，基坑变形计算主要存在两个问题:一个是计算参数的选取问题，另一个是常规半断面法的计算精度问题．基坑开挖是一个动态的过程，土体介质性态受开挖影响不断发生变化，土体参数较难确定;断面非对称的复杂基坑在实际工程中不断增多，采用简化方式的常规半断面法已较难满足较高的计算精度要求．

本文结合实例，以基坑整个断面为分析对象，结合位移反分析法，对各工况下基坑的变形进行了计算，同时将计算结果与对应工况下的实测位移进行了比较，可为基坑动态施工反演分析提供了重要的实际工程资料和理论分析依据．

1 位移反分析法

岩土体的位移信息可通过现场监测获取，它带有丰富的信息，是岩土体力学性质等的综合反映．岩土体开挖引起的位移u与许多因素有关，可表示如下[5]:

式中:σ，τ为地应力分量;μ，E为岩土体的泊松比和弹性模量;c，φ为岩土体的内聚力和内摩擦角;η，t为岩土体的粘滞系数和时间．

图1 全断面基坑变形计算思路

由上式(1)可知，位移是岩土体力学性质参数的函数，根据现场监测所得的实测位移，运用理论分析的方法来确定岩(土)体的力学参数、地层初始地应力以及支护结构的边界荷载等，为理论分析在岩土工程中的应用提供符合实际的基本参数，即位移反分析方法[5，6]．

由于基坑开挖是一个动态的过程，监测所得位移实测值也会随基坑开挖工况的进行而变化．因此，位移反分析法宜采用考虑开挖工况的目标函数[7，8]:

其中:M为工况数;N为测点总数;ui(j)为测点i在j工况的水平位移计算值为测点i在j工况的水平位移实测值．

2 全断面基坑变形计算思路

全断面基坑变形计算方法以位移反分析所得土体参数为基础，采用大型有限差分软件FLAC建立全断面基坑模型，既能获得与基坑开挖实际工况相符合的土体参数，又能避免半断面法计算精度低等不足．全断面基坑变形计算方法的主要思路如下:

“知道你在骗我，而且，当你自以为聪明的时候，也就是你露馅的时候。我开始相信这里面有料了，请让开，别影响我工作。”

(1)根据基坑实际工况及围护形式，采用大型有限差分软件FLAC建立基坑典型断面的全断面基坑模型．

(2)基坑施工期间进行现场监测，获取基坑开挖期间的实测位移值，结合全段面基坑模型的计算位移值，利用式(2)进行反演分析，得出与基坑开挖实际工况相符合的土体参数等(本次反演位移采用水平位移，反演参数为各土层等效弹性模量)．

(3)将反演分析所得的土体参数代入全断面基坑模型重新计算，即可得出相应工况下的基坑位移值(回算位移)，还可对下一工况下的基坑位移进行预测(预测位移);重复(2)(3)步骤，即可对全断面基坑模型进行不断修正，实现对基坑开挖的动态预测．

3 工程实例

3．1 工程概况

梅钢1780热轧工程位于南京市雨花台区，基坑平面由北至南依次分为加热炉、粗精轧和精整三个区域．1－1断面(图2)位于基坑北侧加热炉位置处断面为东西向，场地地面标高为－0．6m，设计开挖深度 －10．6～ －12．6m;东侧放坡至 －8．6m，水泥土搅拌桩挡墙厚4．2m;西侧放坡至－8．6m，水泥土搅拌桩挡墙厚5．2m;坑内土体采用水泥搅拌桩加固，加固厚度为4m．基坑西侧坑外埋设有测斜管(编号15#)，开挖过程中，对该测斜孔进行了密切监测．断面位置土层主要物理力学指标见表1．

3．2 模型建立

根据实际工况，可把基坑断面简化为平面应变问题，按以下步骤建立FLAC2D模型:

(1)建立模型网格．

(2)赋予实际土层属性，施加边界条件．

(3)重力平衡，进行初始应力计算，并将初始位移置零．

(4)施工基坑两侧搅拌桩，进行基底加固．

(5)基坑两侧坑外一定范围(10m)施加20kPa的路面超载．

模型建立后，根据实际施工工况，将本次模拟分为以下三个工况:(1)工况一:开挖至 －3．6m;(2)工况二:开挖至 －8．6m;(3)工况三:开挖完成;

最终开挖完成后的全断面模型如图3所示:

表1 1－1断面土层物理力学指标

3．3 计算结果分析

(1)工况一:开挖至 －3．6m

根据开挖至－3．6m时的实测水平位移，反演分析得出各土层等效弹性模量;把反演所得参数代入全断面模型中进行计算，结果如图4所示;根据工况一反演所得的土层参数，对断面开挖至－8．6m时的水平位移进行预测，预测结果如图5所示．

图2 1－1断面结构布置图

图3 开挖至设计深度的全断面模型

(2)工况二:开挖至 －8．6m

根据开挖至－8．6m时的实测水平位移，进行第二次反演分析，得出各土层等效弹性模量;把反演所得的参数代入全断面模型中进行计算，结果如图6所示;根据工况二反演所得的土层参数，对断面开挖完成时的水平位移进行预测，预测结果如图7所示．

(3)工况三:开挖完成

根据开挖完成时的实测水平位移，进行第三次反演分析，得出各土层等效弹性模量，把反演所得的参数代入全断面模型中进行计算，结果如图8所示．

图4 开挖至－3．6m时的计算水平位移值

图6 开挖至－8．6m时的计算水平位移值

图5 预测开挖至－8．6 m时的水平位移

图7 预测开挖完成时的水平位移

图8 开挖完成时的计算水平位移值

由图4、图6和图8可见，全断面法计算所得位移的变化趋势与实测位移基本吻合，峰值及峰值深度也与实测数据比较接近．如工况二中(图6)，实测水平位移峰值为－66．33mm，峰值深度为6．5m;计算水平位移峰值为－66．07mm，峰值深度为6．1m．

由图5和图7中的预测结果可见，全断面法对下一工况位移的预测与实测位移比较接近，预测位移峰值比实测位移峰值稍小;经再次反演分析对全断面模型进行修正之后，全断面法计算位移又与实测位移比较吻合．如工况二中(图7)，全断面法预测工况三的水平位移峰值为－69．03mm，峰值深度为6．1m;工况三实测水平位移峰值为77．56mm，峰值深度为7．1m;模型修正后，全断面法计算水平位移峰值为－77．62mm，峰值深度为7．5m(图8)

4 结论

本文结合实例，利用位移反分析理论，采用全断面法对复杂基坑典型断面在不同施工工况下的水平位移进行计算，并对后续工况变形进行了预测．根据以上分析和计算结果，得出以下主要结论．

(1)实例分析结果表明，对于类似断面非对称的复杂基坑，全断面变形计算法的计算位移与实测位移基本吻合，本文提出的全断面基坑变形计算方法可为类似复杂基坑的分析研究提供一种新的参考方法．

(2)利用已获监测数据反演所得的土层参数，可较好地对下一工况基坑开挖的变形进行预测，基于位移反分析法的全断面基坑变形计算方法可为基坑的动态施工提供重要依据．

[1] 侯学渊，刘国彬，黄院雄．城市基坑工程发展的几点看法[J]．施工技术，2000，29(1):5－7．

[2] 陈灿寿，张尚根，余有山．深基坑支护结构变形计算[J]．岩石力学与工程学报，2004，23(12):2065–2068．

[3] 吴静，吴立．深基坑开挖对周边建筑物沉降影响的数值模拟分析[J]．资源环境与工程，2010，24(6):680－684．

[4] 朱合华，崔茂玉，刘学增，等．大型深基坑动态施工反演及稳定性分析[J]．建筑结构学报，2000，21(6):74－79．

[5] 郭艳华，郭志昆．岩土工程反分析的初步探讨[J]．四川建筑科学研究，2006，32(3):105 －108．

[6] 杨林德．岩土工程问题的反演理论与工程实践[M]．北京:科学出版社，1996．

[7] 杨敏，熊巨华，冯又全．基坑工程中的位移反分析技术与应用[J]．工业建筑，1998，28(9):1－6．

[8] 焦远俊，邵化用，秦建设．位移反分析法在基坑开挖分析中的应用[J]．建筑施工，2005，27(2):15－17．