基于监测与数值模拟的深基坑开挖对周边建筑物的影响分析

王 爽

（上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434）

0 引言

随着基坑工程有关理论的成熟发展,目前,深基坑开挖对周边建筑物的影响分析成为了国内外专家与学者研究的重点[1-4]。深基坑在开挖过程中,必然会使周边土体扰动而使土层变形,导致上部建筑物产生不均匀沉降,然而建筑物抵抗不均匀沉降的能力有限,因此,在深基坑开挖过程中不仅要关注围护结构、支撑体系自身的变形,在确保基坑安全的前提下,还需重点关注基坑周边建筑物的变形及沉降[5]。为确保周边建筑物安全,应在深基坑开挖过程中对其进行实施监测,及时采取措施控制其变形沉降[6-9]。本文借助金泽水库新增取水泵站基坑工程项目,通过数值分析及现场监测,研究分析深基坑开挖对周边建筑物的影响。

1 工程概况

新增取水泵站基坑工程位于上海市青浦区太浦河北岸,南侧为太浦河大堤,东侧为现有取水闸,距离取水闸约35 m,基坑深度10.8 m,本工程分析取水泵站基坑开挖过程中对东侧现有取水闸的影响。

1.1 工程场地地质结构

（1）地基土构成与特征

根据地质勘测报告,基坑开挖深度范围内土层从上至下依次为：

①2层素填土：灰黄～灰色,由粘性土组成,大部分为原取水闸施工回填土,偶夹碎石、砖块,表层多含植物根茎,局部为灰色粘性土或淤泥质土,回填时间约4 年,尚未完成自重固结,湿～很湿,松散,高等压缩性,土质较均匀。

⑥1层粉质粘土：暗绿～草黄色,少量呈灰黄色,含氧化铁条纹和铁锰质结核,局部夹粉土团块,湿,可塑～硬塑,中等压缩性,土质较均匀。

⑥3层粉质粘土：灰色,含云母和有机质,夹粉土薄层,局部粉性较重,很湿,可塑～软塑,中等偏高压缩性,土质较均匀。

⑥4-1层粉质粘土：暗绿～灰绿色,少量呈草黄色,含铁锰氧化物,局部夹粉土团块,湿,可塑～硬塑,中等压缩性,土质较均匀。

⑥4-1t层粘质粉土：灰绿色,含云母和铁锰氧化物,少量为砂质粉土,夹薄层状粘性土,饱和,中密,中等压缩性,土质较均匀。

⑥4-3层粉质粘土：草黄～灰黄色,含云母及氧化铁条纹,夹薄层粉性土,湿,硬可塑,中等压缩性,土质较均匀。

（2）水文地质条件

场地主要地下水类型为浅部土层中的潜水,主要受大气降水及地表水补给,通过蒸发或向河湖渗流排泄,潜水水位埋深随季节、气候和地形等因素而有所变化,本次勘察期间陆域钻孔内测得的潜水稳定水位埋深为0.68 m～3.74 m,潜水对本工程基坑开挖、施工影响较大,应采取适当的降、排水措施。

1.2 基坑围护结构

本基坑选取泵房段基坑,基坑深度10.8 m,基坑围护型式采用C30 钻孔灌注桩+两道混凝土对撑结构,止水帷幕采用单排三轴水泥搅拌桩,钻孔灌注桩桩长23 m、桩径800 mm、桩距1000 mm。为提高围护结构的整体性,并为支撑体系提供支撑反力,拟在围护灌注桩顶设置钢筋混凝土冠梁,冠梁尺寸为1.2 m（宽）×0.8 m（高）；两道支撑截面均宽800 mm、高600 mm,第一道支撑中心标高均为3.1 m（地面高程为4.0 m）,第二道支撑中心标高均为-2.8 m。基坑围护断面图见图1。

图1 取水泵站段基坑围护断面图

2 监测数据分析

2.1 变形监测方案

本工程在取水泵站段基坑与取水闸之间地表共设置6 个监测点,自西向东依次为D1-0～5,在取水闸建筑物上设置LDZ-21监测点进行取水闸沉降监测；设置LDZ-19 监测点进行取水闸水平位移监测。

2.2 地表沉降监测结果

根据现场D1-0～5 监测点监测数据,得出基坑开挖过程中不同工况下监测点的累计沉降量与基坑边缘的距离关系曲线,见图2,从图中可以看出：在第一道混凝土支撑施工完成,距离基坑10 m边缘处出现了地表隆起现象、沉降不稳定,即基坑开挖初期,土体被扰动,土体应力还处于初始释放状态,出现隆起为正常现象。随着开挖深度的增加,地表沉降逐渐趋于稳定,呈现凹槽型,在基坑边缘7 m处达到沉降峰值,当建筑物跨越此处时,最为危险。随着开挖深度的增加,地表沉降总体呈现增大的趋势,在开挖至基坑底时,沉地表降达到最大,因此,当基坑开挖至坑底时应及时浇筑混凝土垫层及底板,不能将基坑暴露过长时间,以免出现基坑坍塌；地表最大沉降值为10.66 mm,小于报警值0.25%H=27 mm,在规范允许范围内,满足要求。

图2 实测基坑周边地表沉降

本工程取水闸距离基坑边缘约35 m,处于凹槽的末端,随着基坑开挖深度的增大,建筑物沉降值基本没有变化,当开挖至坑底时,建筑物沉降为0.83 mm,即基坑开挖对取水闸的影响较小；同时可以看出,基坑开挖对周边建筑物的影响范围约3～4倍的基坑深度。

2.3 地表水平位移监测结果

实测基坑开挖过程中取水闸水平位移结果见图3。8月21日为第一道混凝土支撑施工完成,10月3日为第二道混凝土支撑施工完成,10月16日为基坑开挖至坑底时,从图中可以看出：在基坑开挖至坑底时,取水闸水平位移值达到最大,为1.3 mm。

图3 实测取水闸水平位移

3 有限元模拟

基坑东侧紧邻现有取水闸,基坑开挖时必须确保取水闸的安全,为此,建立整体模型模拟基坑开挖过程对取水闸的影响显得至关重要,本文采用加拿大Rocscience公司平面有限元分析程序Phase2 进行基坑开挖支护分步模拟分析。

3.1 计算模型及工况

（1）计算模型

计算边界见图4。左右两侧取约1.5倍基坑开挖跨度,底部取至围护桩底高程；左右两侧及底部采用固定约束。

图4 基坑开挖完成模型图示

（2）计算参数

采用有限元软件建立基坑及取水闸整体模型,从上至下各土层物理力学参数见表1。

表1 土体计算参数取值表

（3）计算工况

计算分7个工况步模拟：

1）现状原位初始应力场,地下水位取地表下0.5 m,地表高程4.0 m,地下水位高程3.5 m；

2）1∶1放坡开挖0.5 m；

3）施工基坑边围护桩以及立柱桩；

4）在3.1 m高程加第一道横撑,基坑内地下水位降至-3.3 m；

5）基坑内开挖至-2.85 m；

6）在-2.8 m高程加第二道横撑,基坑内地下水位降至-7.3 m；

7）基坑开挖至设计标高。

3.2 计算结果分析

3.2.1 地表土体水平位移

基坑开挖完成后,开挖卸荷总位移云图见图5,从图可以看出：总体变形趋势为基坑地表下沉,基坑底部卸荷回弹隆起,靠近基坑侧取水闸地表位移为1.4 mm,在-3.8 m高程处取水闸底板位置约为1.5 mm,桩基底处位移近似0。

图5 基坑开挖总位移云图

基坑开挖完成后,开挖卸荷水平位移云图见图6,地表靠近取水闸一侧最大水平向位移约为1.8 cm,靠近取水闸位置水平位移约为1.4 mm；与实测的取水闸水平位移1.3 mm非常接近,且略大于实测取水闸水平位移。

图6 基坑开挖水平向位移云图

3.3.2 地表土体沉降

基坑开挖完成后,开挖卸荷竖向位移云图见图7,由图可知：地表靠近取水闸一侧最大竖向位移约为2.3 cm,为地表下沉位移,靠近取水闸位置竖向位移小于1 mm。实测地表最大沉降为10.66 mm,小于数值模拟结果；实测取水闸处沉降为0.83 mm,数值模拟结果与实测结果非常接近,且略大于实测值0.17 mm。

图7 基坑开挖竖向位移云图

从上述有限元计算结果可知,在当前支护设计基础上开挖基坑对原取水闸变形影响较小,不会对取水闸稳定及功能造成影响,基坑开挖时取水闸是安全的。

4 结论

（1）在基坑开挖过程中,对取水闸的影响无论是地表沉降还是水平位移均较小,当前基坑支护设计的基坑开挖不会对取水闸的稳定和功能造成影响。

（2）取水闸处数值模拟结果,地表沉降及水平位移值均非常接近且略大于现场监测数据,在施工之前,可利用有限元软件对基坑的开挖过程进行整体模拟。

（3）深基坑的整个开挖过程中,在开挖至坑底时,地表沉降及水平位移达到峰值,此时应尽快施工混凝土垫层及底板,避免基坑长时间暴露,以免出现基坑坍塌造成不必要的损失。