某项目深基坑变形监测与数值模拟分析
1 工程概况
红岛国际会展中心项目酒店工程位于山东省青岛市，地上15层、地下3层，基坑呈不规则五边形，建设场区整平标高按3.0m考虑;酒店基底绝对标高按-7.900～-8.800m考虑，裙房的基坑深度为10.9m，主楼的基坑深度为11.8m。
1.1 施工环境条件
场区北侧临近火炬路，用地红线距火炬路约30m。火炬路南侧地下埋有通信、电力、供水等管线。场区西侧和南侧为养殖池。场区东侧原为养殖池，部分已回填整平。
1.2 工程地质及水文地质条件
基坑范围内以杂填土、淤泥质土、黏土、安山强风化岩、安山中风化岩为主，各层岩土层的物理参数指标如表1所示。从表中可看出，在基坑开挖范围内土层的压缩模量较低，土的稳定性较差。
表1 岩土层参数
Table 1 Rock and soil layer parameters
地下水类型主要为第1层填土中的孔隙潜水，场区地下水主要接受大气降水补给。勘察期间测得钻孔内稳定水位埋深0.10～2.10m，水位标高0.710～3.430m，年变幅1～2m。根据调查了解，场区近3～5年最高地下水位标高约3.500m。
1.3 基坑条件
基坑支护的安全等级为二级，结构重要性系数取1.0，基坑支护形式采用灌注桩(桩顶放坡)+预应力锚杆支护形式，基坑在-1m处设置1道预应力锚杆。
2 基坑监测分析
2.1 监测方案
为确保基坑施工安全，在施工过程中进行施工监测。本基坑监测的项目主要有:(1)坡顶位移包括坡顶水平位移和竖向位移，设置坡顶水平位移/竖向位移监测点42个，编号为HV19～HV60;(2)深层水平位移酒店基坑深层水平布置5个测点，编号为CX5～CX9;(3)预应力轴力酒店预应力轴力布置5个测点，编号为SA1～SA5。基坑测点布置如图1所示。本基坑开挖顺序为从中间向四周进行，选择2016年11月至2017年2月这段时间监测结果进行分析。
2.2 坡顶水平和竖向位移监测结果分析
在对坡顶水平位移和竖向位移进行监测的数据中，整体趋势为在基坑进行开挖前期，基坑坡顶水平位移增长缓慢，随着基坑的陆续开挖，坡顶水平位移增长速度显著变快，预应力锚杆施工后，基坑坡顶水平位移增长速度变缓，变形最后趋于水平状态。基坑东、西两侧位移较小，南、北两侧位移较大，这主要与南、北两侧设置的施工道路和开挖顺序有关。最大水平位移为41mm，最大竖向位移为17mm，未超过限值(见图2,3)。
图2 坡顶水平位移曲线
Fig.2 Horizontal displacement curves
2.3 土层深层水平位移分析
土层深层水平位移监测共设5个测点，取CX6和CX7监测点为研究对象。从CX6孔深层位移曲线图中可看出，其最大水平位移为35.3mm，出现位置为-5m处;从CX7孔深层位移曲线图中可看出，其最大水平位移为27.1mm，出现位置为-3m处，均未超过限值(见图4,5)。
图3 坡顶竖向位移曲线
Fig.3 Vertical displacement curves
从图4,5中可以观察到深层位移具有以下变化规律:(1)CX6和CX7监测点变形趋势并不相同，这主要与基坑的开挖顺序有关;(2)在10月底，基坑进行第1层土的开挖，土体的水平位移逐渐增加，上部结构水平位移发展较快，位移变化与坡顶水平位移相一致。锚杆施加预应力后，上部结构的水平位移变化速率降低，最大水平位移从上部向锚杆下部位置发展，深层位移曲线向基坑内方向弯曲;随着基坑的不断开挖，基坑深度水平位移不断增加。12月13日，基坑开挖的最深处已达到坑底标高，当基坑开挖结束后，水平位移随着时间的增长还略有增加，这说明土内的孔隙水压力需较长时间进行逐渐释放，周围土体的变形也需较长时间发展到稳定状态。
2.4 锚杆轴力分析
取监测点SA2,SA3,SA4,SA5为研究对象，不同测点随时间变化的趋势如图6所示。锚杆的预应力锁定值均为300kN，轴力最大监测值为470kN，未超过设计极限承载力的70%。由监测数据可知，5处测点的锚杆预应力变化都较明显，除测点SA6与其他测点不同外，其余测点轴力的变化趋势大致相同，都在12月19日至次年1月6日时轴力明显增加，而SA6监测点在12月30日至1月3日时锚杆轴力有所下降，变化后趋势与其他4个监测点一致。所有监测点在1月17日后变化很小，曲线变化趋于水平。
图6 锚杆轴力曲线
Fig.6 Anchor shaft force curves
3 基坑影响因素分析
3.1 模型建立
本文使用咬合灌注桩的刚度等效原则将桩墙转换为地下连续墙进行模拟计算，将各参数带入公式，求得等效的地下连续墙厚度t=0.67m，土层参数如表1所示。
使用Midas GTS对基坑整体进行网格划分，并建立支护模型，进行开挖工况数值模拟，将实际开挖工况简化，共分为7个工况，具体模拟开挖工况信息如表2所示。
表2 数值模拟开挖工况信息
Table 2 Numerical simulation excavation condition information
3.2 监测与模拟数据对比
对模型进行施工过程模拟，得出各工况计算结果。围护结构水平位移和锚杆轴力工况7云图如图7,8所示。模拟值与监测值的对比如图9,10所示。基坑围护结构模拟变形趋势和监测数值变形趋势相一致，围护结构水平位移的最终结果相差不大，围护结构模拟的水平位移最大值为32mm，监测水平位移最大值为37mm。由图10所示锚杆轴力对比可看出，模拟轴力值总体要略大于监测值，但两者变化趋势基本一致。通过基坑深层水平位移和锚杆轴力模拟结果与监测数据的对比发现，变化规律总体相一致，可初步验证模型模拟开挖的可行性。
3.3 围护结构刚度对围护结构位移的影响
围护结构的刚度对围护结构的变形起到重要作用，而围护结构的变形也直接关系到围护结构的变形控制。所以本文通过变化地下连续墙的厚度来模拟围护结构的刚度变化，具体过程为，分别取地下连续墙厚度为0.6,0.7,0.8,0.9,1,1.1,1.2m进行有限元模拟分析，位移曲线如图11所示。
Fig.11 Deep horizontal displacement of different thicknesses of the ground wall
由图11可得出:(1)随着地下连续墙厚度(以厚度变化来代替刚度变化)的增加，在预应力锚杆以下位置，围护结构的水平位移程线性减小趋势，但最大位移的深度并没有随地下连续墙厚度的改变而变化;在预应力锚杆以上位置，围护结构的水平位移略有增大，变化均匀;(2)地下连续墙厚度从0.6m到1.2m，厚度增大1倍，围护结构最大位移由36mm减小到15mm，位移值减小58%，在地下连续墙为0.6m变为0.8m过程中基坑最大水平位移从38mm变为25mm，但持续加大地下连续墙厚度对变形影响效果一般;(3)经过对比地下连续墙厚度取0.8m时较为合理，在考虑基坑安全性和经济性的前提下，可调整桩径和桩间距来进行优化。
3.4 锚杆竖向位置对围护结构位移的影响
由于本基坑设置1道锚杆，其竖向位置的布置较重要，将会直接影响围护结构的受力和位移。本基坑设计方案中将锚杆设置在桩顶以下2m位置，改变锚杆竖向位置分为桩顶以下1,2,3,4m后分别对基坑进行有限元模拟，得出深层水平位移结果，如图14所示。
Fig.12 Deep horizontal displacement of different thicknesses of the ground wall
由12图可得出:(1)当锚杆设置在桩顶以下1m时，最大水平位移值最大为41mm，位置在-7m处;当锚杆设置在桩顶以下4m时，最大水平位移值最小为26.6mm，位置在-2m处;(2)随着锚杆竖向位置的下降，桩中位移逐渐减小，除锚固位置为桩顶以下1m的情况，其他3种情况桩顶水平位移逐步增大;(3)综合上述规律，为了控制桩顶的水平位移和深层水平位移，可知当锚杆布置深度为桩顶以下2m时，桩顶水平位移最小，且深层水平位移的数值变化也在合理范围内。
4 结语
本文通过对基坑监测数据分析、监测数据与模拟数据对比及围护结构影响因素的分析得出以下结论。
1)基坑坡顶水平位移和竖向位移整体呈先快速增大，预应力锚杆施工后增速变缓，随着基坑的开挖，位移继续增大，随着时间的增长，位移最后趋于稳定的变化规律。其中，最大桩顶水平位移为42mm，最大桩顶竖向位移为17mm。
2)基坑围护结构最大水平位移为35.3mm，出现位置为-5m处。随着基坑的不断开挖，基坑深层水平位移逐渐增大。
3)通过基坑深层水平位移和锚杆轴力模拟结果数据与监测数据的对比发现，变化规律总体一致，可初步验证模型模拟开挖的可行性。
4)经过对不同地下连续墙厚度有限元模型运行结果的对比，得出随着地下连续墙厚度增加，在预应力锚杆以下位置，围护结构的水平位移程线性减小趋势;在预应力锚杆以上位置，围护结构的水平位移略有增大。经过对比地下连续墙厚度取0.8m时较为合理，在考虑基坑安全性和经济性的前提下，可调整桩径和桩间距进行优化。
5)随着锚杆竖向布置位置的下降，基坑桩中位移逐渐减小，桩顶水平位移逐步增大。为了控制桩顶的水平位移和深层水平位移，选择桩顶以下2m的位置为锚杆竖向布置位置较合适。
[2]郝胜利，吴刚．桩锚结构在青岛深基坑支护中应用实例[J]．城市勘测，2012(4):164-168.
[3]王立学．预应力锚索咬合桩深基坑支护设计与施工三维数值模拟分析[J]．城市道桥与防洪，2017(12):102-106,13.
[4]史立新，李忠．预应力锚索咬合桩深基坑支护三维数值模拟分析[J]．甘肃科学学报，2018,30(1):48-54.