深基坑模拟变形值与实测变形值的对比分析
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摘要：目前对于一些大型的基坑施工，施工前的模拟是必不可少的，可以更好地对设计进行优化，同时，在施工过程中对基坑变形进行监测，并对监测的结果进行整理和分析，具有十分重要的意义。文章以某深基坑项目为背景，通过数值模拟变形值与现场实测变形值相结合的手段对基坑变形规律和影响因素进行探索，并提出用数值模拟进行基坑优化设计的思路。
Abstract： For some large foundation pit construction， the simulation before construction is essential which can better optimize the design. At the same time， it has very vital significance to monitor the deformation of deep foundation pit in the construction process and sort and analyze the monitoring results. Based on a deep foundation pit project， this paper researches the deformation regularity and influential factors of the foundation pit by the combination of the numerical simulation deformation values and measured deformation values and puts forward some ideas of using numerical simulation basis for optimizing the design of foundation pit.
关键词：深基坑；数值模拟；现场实测；变形规律
Key words： deep foundation pit；numerical simulation；field measurement；deformation rule
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）22-0093-03
0 引言
随着我国城市化进程的不断加快，各地高层建筑层出不穷，对于地下空间利用的要求越来越高，使得基坑越来越深，在这种情况下深基坑安全事故屡见不鲜[1]。深基坑安全事故出现的两个主要原因是施工管理不当和设计不当，其中，支护方案设计不当与当地的地质情况的复杂性和土体力学计算的困难性有着直接的关系[2]。因此，在基坑开挖前必须对深基坑进行有限元仿真模拟，获得模拟变形值，只有这样才能确保基坑支护设计方案的合理性和安全性，更好地刻画支护结构和不均匀土体的关系。然而，有限元仿真模拟虽然能够真实的模拟出基坑所有点的变形情况，但是其准确度不如现场实测高；而现场实测由于只能监测指定点位，无法监测到所有点的变形情况，尽管准确度高，却应用范围并不广，为进一步完善基坑支护设计理论，为今后基坑支护设计提供有力的设计依据[3]，应将数值模拟和实测相结合，如此能够对基坑的变形和稳定性得出更全面的结论。
1 工程概况
拟建33层高层住宅楼，场地位于西安市某家属院院内，地势平坦，属单元黄土梁洼地貌，黄土湿陷性等级为自重湿陷性II级。该工程项目基坑长宽约90m×45m，南侧2m处有六层住宅，北侧3m处有7层家属楼住宅，利用灰色系统理论选出最优支护方案为桩锚支护[4]。根据基坑支护设计方案，基坑开挖深度约为8m，设计锚杆长度20m，护坡桩的长度13m，冠梁高度0.5m，原有建筑物的基础埋深为-2m。基坑平面布置如图1所示。
2 ANSYS数值模拟
根据基坑设计方案，桩直径0.8m，桩间距1.5m，桩身之间的距离0.7m，可忽略桩与桩之间的相互影响，用二维模型进行数值模拟。由于基坑南侧2m处和北侧3m处各有一栋六层和七层住宅楼，导致南北边坡的安全性和稳定性均较差，因此只要南北边坡的安全性符合要求就能保证整个基坑的安全，所以，为了简化计算，该模型仅将平面图从南北方向剖开，以南北边坡的断面进行二维模型的建立。
2.1 基本假定
①假定土体是均匀连续且各向同性的弹塑性介质；②假定所开挖土体无地下水；③假定土体的应力—应变关系式完全符合弹塑性关系，服从D-P准则。
2.2 材料模拟分析和处理
锚杆选择link1单元，钢筋混凝土排桩选择beam3单元，二维结构土体材料选择plane42单元，将每种单元所对应的材料参数输入对应的对话框中。
2.3 建立模型，划分网格，加载并施加约束条件
根据实践经验，计算基坑开挖影响范围为宽×高=78m×24m，以此进行模型的建立。根据基坑设计方案和整体模型的形式，确定了46个关键点和78条关键线，关键线路组成的区域定义了36块区域。将所有的线离散化分为1个单位长度，采用四边形或三角形网格进行自由划分，划分后的节点总数为18654，单元总数为6014。南边（左边）荷载大小定为425kN，距基坑2m处开始施加荷载，北边（右边）荷载大小定为498kN，距基坑3m处开始施加荷载，在左右两端和底端同时添加固定铰支座约束，整个模型体系如图2所示。
2.4 开挖过程模拟
开挖模拟前先用生死单元的kill elements命令关闭排桩单元和锚杆，然后进行ANSYS模拟计算，得到模型的初始应变值，在以后的分析中进行相应的扣除。基坑开挖的施工顺序为先进行桩和冠梁的施工，开挖到4m时进行锚杆的施工，因此，当基坑开挖0～4m时锚杆还没有施工，所以开挖第一阶段只激活排桩单元，关闭开挖范围4m深的土体；开挖的第二个阶段（4～8m），则将排桩和锚杆单元全部激活，关闭开挖范围8m内的全部土体。
3 监测方案
本工程主要在施工现场监测基坑的水平位移和基坑相邻建筑物的沉降情况，监测仪器及测量方法见表1。
3.1 监测频率
根据以往经验及数值模拟结果制定了监测频率，在基坑开挖期间，水平位移每3天监测一次，基坑周边建筑物沉降每1周监测一次。基坑支护完成后，由于位移变化量很小，调整为水平位移每周监测一次，基坑周边沉降每10天监测一次。
3.2 监测点布置
3.2.1 水平位移点位布置
本工程沿基坑四周边坡坡顶设置水平位移监测点，共设有21个监测点，间隔15m左右，具体布置图如图3所示。
3.2.2 基坑周边建筑物沉降点位布置
沉降量监测点布置在基坑周边建筑物的侧壁上，在建筑物拐角处和建筑物墙壁上每隔20m设置一个，共12个监测点。
3.3 监测位移控制值和报警值
根据基坑的安全等级和现场实际条件进行基坑的报警值和控制值的确定，本工程基坑深度8m，基坑等级是一级，经计算，水平位移控制值20mm，报警值为15mm。基坑周边沉降量控制值12mm，报警值10mm[5]。
4 模拟变形值与实测变形值的对比分析
4.1 水平位移模拟值与实测值的对比
现场监测是全过程监测，即自基坑开挖开始一直到基坑回填结束，而ANSYS数值模拟只针对基坑开挖过程，即从第一阶段的排桩施工后的土方开挖到第二阶段的锚杆施工和土方开挖，为了能将两者进行同步对比分析，文章中的现场监测数据只取自基坑开挖开始到开挖结束。分别将数值模拟和实测后获得的基坑水平位移变形值进行整理，取其平均值后绘制在同一时间——位移曲线图上，以变形量最大的南北边坡为例进行对比分析，见图4和图5。
从图4的位移对比曲线图可以看出：①基坑开挖过程中通过模拟所获得到的位移数据整体上的变化和增长趋势与实际监测数据基本一致，但由于模拟数据的曲率为0，而且软件不能模拟出土方开挖和锚杆施工时机械对土体扰动的情况或实际施工过程中的突发情况，所以模拟的位移曲线呈直线变化。②模拟的位移量略小于实际监测的水平位移量，模拟的累计变形达13mm，实际数据的平均累计变形达14mm，经分析原因可能是：在模拟支护结构时，土体节点、排桩和锚杆节点共用，从而忽略了土体与支护结构之间的相对滑动，使得支护作用效果要比实际更强，同时也忽略了降水对基坑位移的影响。
从图5的位移对比曲线图可以得出，模拟的北边坡水平位移数据和实测数据在开挖的第一阶段十分相似，而在开挖的第二阶段则有所差异，数值模拟的最大水平位移量为11.5mm，而实测的平均最大水平位移量为13.5mm，和南边坡对比情况一样，模拟值要略高于实测值。
4.2 相临建筑物沉降模拟值与实测值对比
整理数值模拟后的相邻建筑物累计平均沉降量以及计算所有南北监测点每次测量的累计平均沉降量，将结果绘制在沉降量与时间关系曲线图上进行对比，如图6所示。
通过图6的沉降量对比曲线图可以看出，在基坑开挖的第一阶段（0-4m），模拟值和实测值基本相同；到第二阶段，模拟值要低于实测值，最大相差1.5mm，分析原因是进行数值模拟时没有考虑基坑降水对相邻建筑物沉降的影响。因此，模拟值虽然可以预测基坑变形的大致规律和趋势，但不可以完全模拟出基坑的实际变形。
4.3 模拟变形值与实测变形值的差异原因分析
①有限元模型将土体进行理想化分层，而实际地质情况隐蔽且较为复杂，不可能如此简单整齐，不同地面点对应的地质情况不尽相同。
②在用数值模拟时设定的基坑沉降速率不变，而实际情况下沉降速率是改变的。
③有限元模型假设排桩与土体，、锚杆与土体连接均为弹塑性连接，而实际它们的接触情况要比弹塑性更为复杂，不能简单的视为排桩和锚杆的结构节点与土体共用。
④数值模拟过程中没有考虑到开挖过程中以及打入锚杆时由于土体的扰动、机械振动等对基坑稳定性的影响。
⑤有限元模型没有考虑施工降水会导致土体下沉从而影响基坑稳定性。
⑥有限元模型没有考虑到基坑周边施工道路上的车辆和施工人员等产生的动荷载对基坑稳定性的影响。
5 结语
①从变形-时间对比曲线图可以得出，对深基坑开挖过程进行数值模拟获得的变形值和实测变形值的变化规律整体趋势一致，因此证明，用ANSYS模拟基坑开挖过程中基坑的变形对基坑开挖和监测，以及边坡稳定性提前的验证有很大作用。
②利用有限元进行数值模拟的前提是进行理想化情况的假定，因此不能准确反映现场实际变形情况，而将监测所得数据与模拟获得的基坑变形数据进行对比分析得出结论，可以进一步论证基坑支护设计的合理性和基坑开挖的稳定性，可以更加有针对性地指导后续施工。
③可以考虑利用数值模拟，合理建模和选取并调整参数，通过改变锚杆和排桩的设计长度进一步完善基坑支护设计，在保证安全的前提下节省造价及合理安排施工。
参考文献：
[1]廖展宇，李英，晏鄂川，蔡玲玲，李其良.非等间隔时序灰色模型的深基坑变形预测研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2009（10）.
[2]高文华，杨林德，沈蒲生.软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J].土木工程学报，2001（05）.
[3]褚峰，李永盛，梁发云，李彦东.土体小应变条件下紧邻地铁枢纽的超深基坑变形特性数值分析[J].岩石力学与工程学报， 2010（S1）.
[4]陈宏东，都华，冯林平，雷扬，姜铁军，易念平.深挖填土基坑监测及安全性分析[J].广西大学学报（自然科学版），2010（02）.
[5]王源，刘松玉，谭跃虎，段建立，曾京，李二兵.南京长江隧道浦口深基坑信息化施工与分析[J].岩土工程学报，2009（11）.
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