欧 臣，吴银柱

(长春工程学院勘查与测绘学院，长春 130021)

商业住宅基坑开挖的监控量测与数值模拟研究

欧 臣，吴银柱

(长春工程学院勘查与测绘学院，长春 130021)

以杭州市已完成的商品住宅基坑工程为研究背景，运用有限元分析软件MIDAS/GTS NX建立有限元模型，研究了监控量测技术与数值模拟在基坑开挖过程中的应用。研究表明：基坑土体水平位移的计算值与监控值变化趋势总体相似，结果误差不大，均在设计报警值以内；边坡沉降的计算值与监控值变化趋势总体相似，结果误差较小，监测点沉降量较小，且在设计报警值范围以内；各测点的水位变化量均在设计报警值范围以内。研究结果表明监控量测与数值模拟相结合能较好地运用于基坑开挖。

基坑开挖；监测；数值模拟；水平位移；边坡沉降；地下水位变化

0 引言

随着城市建设的快速发展，各种高层建筑也不断增加，由此而修建的地下基础工程也日益增多[1]。而深基坑的开挖，会引起周围土体的变形，对周边建筑物产生不同程度的损害和影响[2-5]，因此变形要求对于保障质量是至关重要的，然而支护结构的变形很难计算得到，所以需要对支护结构及周边环境实施监测[6]。特别是在软土地基或城市建筑结构比较密集的地区，其含水率和压缩性均很高，强度又较低，所以在基坑开挖过程会出现更大的变形[7]，大量的理论研究[8-11]及工程实践[12-16]证明，软土地区开挖出现的变形值明显会超过相关规范[17]提出的位移预警值。

如今，基坑监测是一项复杂的测量技术，在许多工程[18-21]中都得到了广泛应用，同时，计算机的快速发展，有限元软件也成为了进行基坑开挖相关问题研究的强有力工具[22-24]，现已相当成熟，使得基坑开挖更加高效与安全。本文以杭州首开25号地块商品住宅基坑支护工程为例，通过有限元分析与监控量测技术相结合进行基坑安全控制，起到了较好的效果，以期对类似地区基坑工程监测起到一定借鉴作用。

1 工程实例

1.1 工程概况

杭政储出25号地块商业住宅项目位于杭州市半山镇田园板块，西靠虎山路，北至广济路，该项目的地下总建筑面积35 000 m2，需进行基坑开挖，开挖深度在4.35～5.95 m之间，围护结构主要为自然放坡加土钉墙，部分区域采用钻孔灌注桩排桩围护，本基坑安全等级为二级。土钉墙围护主要采用竖向3排直径为48 mm及长度为6 m的钢筋和1排直径48 mm及长度4 m的钢筋，钢筋以与水平倾斜10°的方向打入边坡中，横向每排布置3根，间距为1 200～1 500 mm之间，钻孔桩打入土体7.05～13.55 m，水泥搅拌桩采用直径700 mm的圆形桩，钻孔灌注桩采用直径600 mm的圆形桩。支护结构及其横向剖面如图1和图2所示。

1.2 工程地质条件

场地地貌单元属山前堆积地貌，场地原始地面起伏较小。场地大部分已经整平，在场地西北侧填有较多建筑垃圾，西侧有零星水塘分布，场地地势相对平坦，场区地面绝对标高在5.11～7.18 m之间，相对高差2.07 m。深度范围内本场地地基土表层为填土层，其下部多为山前洪击地层，局部为河湖相黏性土和海相流塑状的淤泥质粉质黏土，场地基岩为S2k康山组粉砂岩。拟建场地设有1层地下室，开挖深度约为5.0 m，基坑开挖涉及土层有①-0层杂填土、①-1层塘泥、②-1层黏质粉土、②-2层粉质黏土、③层淤泥质粉质黏土和⑤-1层粉质黏土。土的物理力学性能指标见表1。

图1 支护结构示意图

图2 支护结构横向剖面图

2 有限元模型建立

本文采用有限元分析软件MIDAS/GTS NX建立基坑分析模型(图3)，根据基坑的实际情况，首先建立基坑的几何图形，并输入该模型中用到的材料及其属性；然后对每一块区域进行网格划分，赋予其力学属性，析取单元，在本模型中桩采用梁单元模拟，锚杆采用植入式桁架模拟，喷射的混凝土面层采用植入式梁模拟；接着定义边界条件和约束，将模型按照一定的施工步骤进行；最后对基坑模拟进行分析计算。

表1 土的物理力学性能指标

图3 有限元模型土

3 基坑开挖监控分析

3.1 监控内容分析

1)深层水平位移监测。基坑周围土体深层水平位移的监测采用在土体中预埋21个测斜管，令为CX1～CX21，埋设在距边坡上边缘1.5～2 m的位置，通过测斜仪观测各深度处水平位移的方法。

计算公式如下：

(1)

ΔXi=Xi-Xi0，

(2)

式中：ΔXi为i深度的累计位移；Xi为i深度的本次坐标；Xi0为i深度的初始坐标；Aj为仪器在0°方向的读数；Bj为仪器在180°方向上的读数；C为探头标定系数；L为探头长；θj为倾角。

2)地下水位监测。地下水位监测通过孔内设置21根水位管，令为SW1～SW21，水位孔的深度在最低设计水位之下，纵向间距5～10 cm，相邻两列的孔交错排列，呈梅花形布置，采用水位计等方法进行测量。

计算公式如下：

h=hk-hs，

(3)

dhi=hi-hi-1，

(4)

Dhi=(dh1+dh2+…+dhi)，

(5)

式中：h为水位高程；hk为管口高程；hs为地下水位深(管口与管内水面之深度)；dhi为本次水位变化；Dhi为累计水位变化。

3)边坡沉降监测。本项目沉降观测共布设了21个测点，在观测点处打入或埋入钢制测钉，顶部露出地面约3cm并磨成凸球面，编号为CJ1～CJ21。根据观测点的高程，确定出基坑影响范围内各部分的沉降量，在进行观测点的首次观测时，必须连续测量两次，取其平均值作为沉降观测点的原始数据。

3.2 监控预警分析

在一般工程情况下，当监测数据达到报警值的80%时，视为已达到监测预警状态，即开始启动各项预警措施。依据GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》[25]要求，监测报警值见表2。

表2 监测报警值

3.3 基坑开挖工况分析

围护结构主要为自然放坡加土钉墙，部分区域采用钻孔灌注桩排桩围护，施工现场如图4所示。在基坑施工前期应进行初始数据采集，开挖期间，应每个阶段进行监测，确保基坑开挖的安全，具体围护工况如下所述：

图4 现场施工图

1)围护工况一：场地普查、清障及修整至设计地表标高，预埋测斜管，布置水位管等前期工序。

2)围护工况二：通过施工围护桩进行开挖，采用土钉墙支护基坑侧壁施工至基坑底部。

3)围护工况三：通过施工管井进行降水，之后进行钻孔灌注桩施工围护，分层开挖至基坑底部。

4 监控量测及数值分析结果

通过监测结果与有限元计算结果的对比分析，进行基坑开挖的控制，可有效保证其安全性及稳定性。本工程在基坑开挖过程中根据每个进度进行了实时监控，在此分别将3种围护方案出现的最不利情况时结果进行比较分析。具体监测点布置如图5所示。

图5 监测点平面布置图

4.1 水平位移的监测与分析结果的比较

本工程布置21个测斜管，编号为CX1～CX21，选取开挖过程中监测出现的最大水平位移值的测斜管进行分析，编号分别为CX3、CX4、CX19、CX20，具体监测点如图6所示(部分)。

对其监测值与数值模拟值进行比较。结果如图7所示。由图7可知，测斜管深层土体水平位移的计算值与监控值变化趋势总体相似，结果有些误差，计算值与监控值最大差值在6mm左右，最小误差在1mm以内，其差别不大，说明有限元计算能较好地与监控值吻合，且位移量均在设计报警值范围以内。

4.2 边坡沉降的监测与分析结果的比较

本工程布置21个测点，编号为CJ1～CJ21，选取开挖过程中监测出现的最大边坡沉降值的测点进行分析，编号分别为CJ7、CJ8、CX14、CX17，具体监测点如图8所示(部分)，数值模拟主要为边坡竖向位移，将其转化为高程的变化，方便与监测值进行比较，横坐标取为监测时间。结果如图9所示。此处给出基坑的整体沉降值，如图9。

图6 部分监测点具体位置图

(a)CX3测斜管深层土体水平位移

(b)CX4测斜管深层土体水平位移

(c)CX19测斜管深层土体水平位移

(d)CX20测斜管深层土体水平位移图7 测斜管深层土体水平位移计算值与监测值

图8 部分监测点具体位置图

由图10可知，基坑边坡沉降的计算值与监控值变化趋势总体相似，结果也存在误差，但差别都不大，计算值与监控值最大差值在10mm左右，最小误差在1mm以内，说明有限元计算能较好地与监控值吻合，且位移量均在设计报警值范围以内。

(a)基坑边坡CJ7测点沉降值

(b)基坑边坡CJ8测点沉降值

(c)基坑边坡CJ14测点沉降值

(d)基坑边坡CJ17测点沉降值图9 基坑边坡测点沉降计算值与监测值

图10 基坑沉降

4.3 地下水位的监测结果

本工程布置21个测点，编号为SW1～SW21，地下水位的变化主要以监测为主，观测以管口高度为准，详细结果如图11所示。

由图11可知，不同测点的地下水位监控值变化趋势大体相似，各水位孔反映水位变化量均在设计报警值范围以内。

5 结语

通过建立商品住宅基坑的整体有限元模型，对基坑开挖施工过程进行模拟分析，同时进行现场监测，有限元计算结果与监测结果表明：

图11 地下水位变化曲线

1)测斜管深层土体水平位移的计算值与监控值变化趋势总体相似，结果误差不大，测斜孔位移幅度较小，且位移量在设计报警值范围以内；

2)基坑边坡沉降的计算值与监控值变化趋势总体相似，结果误差较小，监测点沉降量较小，且在设计报警值范围以内；

3)各水位孔的水位变化量均在设计报警值范围以内。

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The Monitoring and Numerical Simulation Research on the Foundation Pit Excavation in Commercial Residential

OU Chen，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

Based on the finished foundation pit construction in commercial residential in Hangzhou as the study background，the software MIDAS/GTS NX has been used to set up the finite element model，the monitoring technology and the application of numerical simulation in the process of foundation pit excavation are studied.The study results show the calculated values of the horizontal displacement of the foundation pit are similar to the monitored value，and the errors are not big.All in the designed alarm range.The calculated values of the slope sedimentation are similar to the monitored value，with little errors.The settlements of the monitoring points are small，and in the range of designed alarm value.The water level variations of each measuring points are in the range of designed alarm value range.The results of the study demonstrate that the combination of monitoring and numerical simulation can be well used in foundation pit excavation，and can also provide a reference for similar foundation pit excavation constructons.

foundation pit excavation；monitoring；numerical simulation；the horizontal displacement；the slope sedimentation；groundwater level variation

2017-03-10

欧臣(1991-)，男(汉)，杭州，在读硕士 主要研究岩土工程方向。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.02.006

TU94

A

1009-8984(2017)02-0023-06