某项目深基坑变形监测与数值模拟分析

Foundation Excavation of a ProjectQU Chengping, YE Minghui, SUN Haofang

(School of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao, Shandong 266033 , China)Abstract: Taking the deep foundation excavation of a project in the seaside of Hongdao as the engineering

background, the monitoring data of the deformation of the foundation excavation is analyzed, and the

three-dimensional finite element model of the deep foundation excavation is established by using the

Midas GTS finite element software. By analyzing the monitoring data of foundation excavation , comparing the monitoring data with the simulation data, the influencing factors of the retaining structure are

analyzed.Key words: deep foundation excavation ； monitoring ； deformation ； simulation1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

编号表1 岩土层参数Table 1 Rock and soil layer parameters层厚重度黏聚

内摩 压缩

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--& 800m考虑，裙房的基坑深度为

名称力c/ 1/h/m(kN-m-3)kPa擦角 (变形)泊松比“附 (°)模量

E/MPa5. 62. 26. 10. 340. 300. 350. 300. 3010.9m,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

1杂填土层淤泥质土层黏土层21&0017. 1519. 8012.020326555.4331.6144安山岩强风化层5安山岩中风化层24. 0000435015. 030m。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。4225.0055. 0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

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

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。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。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

*临海复杂地质基坑工程应急处理技术(B2-2013-0427)［作者简介］曲成平.副教授.E-mail：2137245@ qq.com［收稿日期］2019-09-03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-Im处设置1道预应力

锚杆。60施工技术第48卷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~SA5O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。”他:爪锵”、'”\"7：牴'翻:粘也辭』图1测点布置Fig.l Measuring points layout2.2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）。5 o 4E o UV3o袒 创

2o亠 召

1O

O

-20 0 20 40 60 80 100120140160180时间/d图2 坡顶水平位移曲线Fig.2 Horizontal displacement curves2.3 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，86EU412/渎0创8

忑睜宫餐

图3坡顶竖向位移曲线Fig.3 Vertical displacement curves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） o-2-4-6E -8应-10 廳-12-14-16-180

5 10 15 20 25 30 35 40位移/mm图4 CX6孔深层位移曲线Fig.4 CX6 hole deep displacement curves-2-4-6E _8 亀-1° 懿-12-14-16-180 5

10

15 20 25 30水平位移/mm图5 CX7孔深层位移曲线Fig.5 CX7 hole deep displacement curves从图4,5中可以观察到深层位移具有以下变化 规律：①CX6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2019 No.22曲成平等：某项目深基坑变形监测与数值模拟分析61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。200 S6r-J66OE9Z,*5t--E ・ •—<—00寸0J Ore 0

o日期/（月—日）图6锚杆轴力曲线Fig.6 Anchor shaft force curves3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 excavationcondition information工况开挖深度/m支护结构施工第1工况：开挖1-2.0放坡开挖至-2m第2工况：地下 连续墙施工-2施作地下连续墙第3工况：开挖2-4.0土体开挖至-4m, 并于-4m处设置锚杆第4工况：开挖3-6.0土体开挖至-6m第5工况：开挖4-8.0土体开挖至-8m第6工况：开挖5-9. 7土体开挖至-9.7m第7工况：开挖6-11. 7土体开挖至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所不。

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。图7 工况7水平位移云图Fig.7 Horizontal displacement nephogramunder working condition 7图8工况7锚杆轴力云图Fig.8 Anchor axial force nephogram underworking condition 7-2-4-6E -8 龜-io ^-12-14-16-180

5 10 15 20 25 30 35 40水平位移/mm图9 工况7深层水平位移对比曲线Fig.9 Deep horizontal displacement contrastcurves under working condition 74m6m8m9.7ml.加

N^/Zs

模拟值 SA3 SA4 SA5测点图10锚杆轴力对比Fig.10 Anchor axial force comparison3.3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

62施T.技术第48卷变形控制。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。0-2-4-6X

•・E -8舷10瑟12-14-16-180

5 10 15 20/mm 25 30 35 40位移图11地下连续墙不同厚度的深层水平位移Fig. 11 Deep horizontal displacement of

different thicknesses of the ground wall由图11可得岀：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

o. 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。0r-2 - . ▼-4 - • ■ ▼-6 - *g ~8 - «V AA •• \"■福K6-12-10 -- <♦. ♦-▼ “叫-18 -人2°0 5 10 15 20 25 30 35 40 45水平位移/mm图12地下连续墙不同厚度的深层水平位移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lm 时，最大水平位移值最大为41mm,位置在-7 m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lm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。参考文献：[1 ]廖春华.深基坑桩锚及土钉联合支护与数值分析[D].北京：

中国地质大学.2011[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） ：1-16&[3]王立学.预应力锚索咬合桩深基坑支护设计与施丁.=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T维数值模拟

分析[J].甘肃科学学报,2018.30（ 1）:48-.