兰州市某基坑地表沉降监测及数值模拟分析

2019-10-30张茂盛

中国建材科技 2019年5期

张茂盛

（甘肃省长城建设集团有限责任公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

在实际的基坑工程中，地质水文环境十分复杂，支护结构受力随着基坑开挖发生变化[1,2]。另外，受施工方法和地面堆载条件的影响，基坑的变形与设计结果有所差别。周边土体沉降对邻近建筑物、构筑物和管道的影响很大，研究基坑开挖产生沉降量，已经成为基坑设计中的突出问题[3]。在一定程度上，基坑开挖支护的设计和施工依靠经验，因此对基坑变形的实时监测是很有必要的[4]。变形监测能及时掌握基坑自身的安全性以及周边环境的变化情况。掌握基坑开挖产生地表沉降对周边环境的影响，可为优化设计和信息化施工提供依据[5]。

针对基坑开挖产生的地表沉降问题，本文结合兰州市某基坑实例，研究沉降量的变化情况。借助PLAXIS岩土有限元软件进行数值模拟[6,7]，并与实测数据进行对比，分析其变形规律，最终得出一些有益结论，为类似工程提供参考。

1 工程与地质概况

1.1 工程概况

兰州市某综合住宅楼项目深基坑工程，总支护长度约为256m，开挖深度11m，基坑周围环境较为复杂，分段采用排桩预应力锚杆复合土钉进行支护。如图1所示，基坑西侧支护段采用排桩预应力锚杆支护，排桩桩径800mm，间距2.0m，混凝土强度等级C30。锚杆材料选用HRB400级钢筋，直径28mm，间距2.0m，孔径150mm，倾角为10 度，预应力为100kN。

1.2 地质概况

图1 西侧支护段剖面图

基坑开挖深度范围内土层复杂，主要有杂填土、黄土状粉土、卵石土、分支粘土、细砂、淤泥质粉土、卵石等土层，土层相关参数如表1所示。基坑开挖施工期间，地下水水位深约为20m。

2 沉降监测方法

针对本基坑工程，在基坑西侧支护段地表垂直基坑边方向间距2.0m布设沉降监测点共13个，采用钻具成孔方式埋设，孔径80mm，孔深1.5m。沉降监测基准点共3个，在沉降稳定的建筑物上布设2个基准点，在车辆和行人少的稳定区域埋设1个基准点，具体的地表沉降监测点布置如图2所示。

表1 土层物理力学参数

图2 地表沉降监测点布置图

图3 监测点沉降量随时间变化曲线

3 监测结果分析

3.1 沉降量随时间的变化

图3给出了部分监测点沉降量随着时间的变化曲线。从图中可以看出，基坑开挖初期地表沉降量较小，变化稳定。随着基坑的不断开挖，地表沉降速率增大，并且数值变化明显。基坑开挖完成后，沉降速率减小，沉降值趋于稳定。对比不同的监测点数据，可以发现，距离坑边不同距离监测点的沉降量的变化不同。靠近基坑，距离坑边0-4m之间的监测点cj2、cj3沉降变化曲线相对平缓，最大沉降量也较小。距坑边11m-13m外的监测点cj6、cj7在基坑开挖后期变化速率最快，沉降量最大。远离基坑，距坑边22m-24m的监测点cj12、cj13的沉降量曲线平缓，最大沉降量较小。根据实测数据，本基坑工程沉降量最大值出现在监测点cj6附近，距离约为基坑开挖深度的1倍左右。由此可以看出，在桩锚支护结构的基坑开挖过程中，地表沉降量最大值并不是出现在坑边，而是出现在距离坑边一定范围内的区域。

3.2 沉降量随开挖阶段的变化

图4给出了各监测点沉降量随基坑开挖过程的变化曲线。从图中可以看出，随着开挖距离坑边6m-16m范围内的地表沉降较为明显。最大沉降值出现在cj6监测点附近，最大值为21mm。基坑开挖初期，坑外地表沉降较小，沉降最大值出现在坑边附近。随着基坑的不断开挖，最大沉降点逐渐外移。基坑开挖中后期，坑外地表沉降增幅明显，沉降范围扩大。开挖完成后，坑外地表沉降继续增大，但是增幅相对减小，最终沉降量趋于稳定。

图4 监测点沉降量随基坑开挖过程变化曲线

4 PLAXIS数值模拟

图5 计算几何模型

4.1 建立有限元模型

本文采用PLAXIS岩土有限元软件进行数值模拟[8-10]。选取基坑宽度一半建模，模型宽60m，深30m，采用15节点三角形单元模拟土体，建立平面应变有限元模型。支护结构与土体相互作用用接触面单元模拟，并将接触单元扩展至支护结构下1m位置。假定模型左右边界水平位移为零，底部边界固定。建立计算几何模型如图5所示。模型采用中等粗糙程度的网格进行划分，并对桩、锚杆周围、坑外地表附近土层、开挖面附近土层进行加密。

4.2 模拟结果分析

通过有限元模型进行弹塑性计算，提取垂直位移云图，如图6所示。

提取模拟结果，对比实测数据如图7所示，发现实测最大沉降量出现在距离坑边11m的位置，最大值为22.1mm，而PLAXIS软件模拟最大沉降量出现在距离坑边14.8m位置，最大值为20.35mm，实测坑外地表沉降范围约为2-3倍的基坑深度，PLAXIS软件模拟所得沉降范围约为3倍的基坑深度。两者计算结果和曲线趋势基本一致。