摘要:
本文以长沙中建梅溪一号(3B地块)基坑工程为例，通过前期的地质调查、多方案论证，确定了初步的土钉墙支护结构和放坡挂网素喷的基坑支护方案，应用FLAC3D对支护方案模拟，模拟分析了采用土钉墙支护条件下，基坑开挖过程中基坑土体的变形及位移情况，并与现场监测数据做了对比。数值模拟结果显示当开挖到基坑底部时，基坑中上部水平位移值达到最大，剖面一为27.01 mm、剖面二26.46 mm、剖面三为28.16 mm。分别为基坑开挖深度的3.4‰、4.4‰、3.5‰，符合规范要求。开挖统一深度时，随着距离基坑边缘距离的增加，水平位移逐渐减小；沿着基坑垂直方向由上向下看，水平位移线增大达到最大之后再减小。三个剖面的最大水平位移都没有超过设计值的8 cm。所以说明理论设计的基坑形状、支护参数合理可靠。每个剖面前几步开挖后，监测点的沉降曲线形状相似，最后一步开挖后形状变化明显。剖面2和剖面3在基坑边缘基坑开挖前三、四步没有沉降，反而出现了上升的现象，但是在基坑开挖结束后，基坑边缘附近还是表现出沉降的趋势。剖面1基坑表面各测点表现出一直沉降，开挖的前四步随着距离基坑的距离增加沉降量逐渐减小，第五步开挖稳定后基坑边缘附近沉降变缓慢，而在距基坑边缘2 m左右沉降量达到最大；三个剖面最终的沉降曲线形状基本相同，类似于“勺子”状；三个剖面的最大沉降量分别为10.64 mm、3.4 mm、11.25 mm，为开挖深度的1.33‰、0.56‰、1.4‰，符合规范要求。基坑最大沉降值距离基坑边缘2 m左右。沉降量较小对周围建筑物和公路影响较小。
Abstract:
In this paper, taking the foundation pit project of No. 1 Meixi (block 3b) of Changsha Zhongjian as an example, through the preliminary geological investigation and multi scheme argumentation, the preliminary soil nailing wall supporting structure and the foundation pit supporting scheme of sloping hanging net and plain spraying are determined. The FLAC3D is used to simulate the supporting scheme, and the deformation and displacement of the foundation pit soil during the excavation under the condition of adopting soil nailing wall are analyzed The field monitoring data are compared. The numerical simulation results show that when the excavation reaches the bottom of the foundation pit, the horizontal displacement value of the middle and upper part of the foundation pit reaches the maximum, Section 1 is 27.01 mm, Section 2 is 26.46mm and Section 3 is 28.16 mm. They are 3.4‰, 4.4‰, 3.5‰ of the excavation depth of the foundation pit respectively, which meet the requirements of the specification. When excavating a uniform depth, the horizontal displacement decreases gradually with the increase of distance from the edge of the foundation pit; when looking from the top to the bottom along the vertical direction of the foundation pit, the horizontal displacement line increases to the maximum and then decreases. The maximum horizontal displacement of the three sections did not exceed 8 cm of the design value. Therefore, the shape of foundation pit and supporting parameters designed by theory are reasonable and reliable. After the first several steps of excavation of each section, the shape of the settlement curve of the monitoring point is similar, and after the last step of excavation, the shape changes obviously. Section 2 and Section 3 did not settle in the three or four steps before the excavation of the foundation pit edge, but increased. However, after the excavation of the foundation pit, there was a trend of settlement near the edge of the foundation pit. The first four steps of excavation decrease gradually with the increase of distance from the foundation pit. After the fifth step of excavation is stable, the settlement near the edge of the foundation pit becomes slow, and the settlement around 2 m from the edge of the foundation pit reaches the maximum. The final settlement curve of the three sections is basically the same shape, similar to the “spoon” shape. The quantities of the maximum settlement of the three sections are 10.64 mm, 3.4 mm and 11.25 mm respectively, which are 1.33‰, 0.56‰, 1.4‰ of the excavation depth, meeting the specification requirements. The maximum settlement of the foundation pit is about 2 m away from the edge of the foundation pit. Small settlement has little impact on surrounding buildings and highways.
1. 引言
随着我国经济的不断增长和城市化进程的不断加快，我国的城市建设得到了飞速发展，高层及超高层建筑的大量涌现，市政广场、地铁车站、地下通道、高速铁路、大型水利设施、桥梁、地下民防工事等各类大型工程的兴建，标志着我国基坑工程理论水平及实践水平都达到了新高度，与此同时，与过去相比，基坑工程在基坑尺度、基坑变形控制、支护形式及基坑监测等方面也出现了新的特点与趋势 [1] - [8]。如：1) 基坑尺度大深化；2) 变形控制严格化；3) 支护形式多样化；4) 施工监控信息化。其中支护形式受场地区域地质条件复杂性的影响，目前己不下十几种 [9] - [15]。在土钉墙内部整体稳定性分析方面，国外许多国家进行了大量的试验研究，产生了相应的分析计算方法，这些分析方法有不同的安全系数定义，不同的破裂面形状假定，不同的钉–土相互作用类型和土钉力分布假定。根据其分析基本原理可分为极限平衡方法和有限元方法，但大多数为极限平衡方法。目前，国外进行土钉墙稳定性分析的方法也多有十几种，但这些分析方法都是在不同时期和工程地质条件的基础上提出的，各分析结果只是与相应的试验结果相一致，尚没有形成一个统一的计算方法，而利用有限元开发的大型通用软件ANSYS和利用有限差分原理开发的FLAC3D软件相比，后者运算速度快，是专门的岩土模拟程序，针对性强 [16] [17] [18] [19] [20]。
本文长沙中建梅溪一号(3B地块)基坑支护方案为例，利用FLAC3D程序对其位移场及稳定性进行数值模拟分析，并与现场实测数据结果进行比较，以期得到一些有参考意义的结论，为以后本地区及相似工程地质条件的基坑支护研究工作提供一定的参考。
2. 基坑支护设计数值模拟
2.1. 开挖过程模拟方案
通过FLAC3D程序分步模拟，将模拟过程始终与现场基坑开挖保持一致。施工过程中每次进行土体开完之后，随即开展支护工作，待土体实现平衡后，然后进行下一步的开挖和支护，直至基坑开挖与支护工程结束。本次的模拟每次开挖深度为1.5 m，然后立即安装土钉。
2.2. 计算模型
本次共建立三个力学模型，分别是工况一基坑开挖6 m (设计方案剖面2，位于基坑北侧)、工况二基坑开挖深8 m (设计方案剖面1，位于基坑东侧)、工况三基坑开挖深8 m (设计方案剖面3，位于基坑西侧)。见图1~3。
2.3. 模拟边界设置
本基坑位于长沙市岳麓区梅溪湖片区境内，南邻梅溪湖路，东邻E2路，场地交通便利，地理位置优越。实际基坑为长方形，基坑外轴线面积约102 × 371.9 m2，南北侧开挖深度为地表下6 m，中部为8 m。根据场地工程地质条件，基坑支护方案拟采用土钉墙支护和放坡挂网素喷支护两种形式。据工程经验与现场实际情况，本次数值模拟模型尺寸设置为30 m × 20 m × 20 m。
2.4. 参数设置
模型中岩土物理力学参数按表1中所列参数取值。土钉采用FLAC3D中的锚索结构(cable)，喷射混凝土用壳结构(shell-type)。土钉及混凝土层面的参数如表2和表3所示。
Table 1. Physical and mechanical indicators of major soil layers
表1. 主要土层物理力学指标
Table 2. Soil nail material parameters
表2. 土钉材料参数
3. 数值模拟结果及分析
3.1. 水平位移分析
在模拟中为了更加详细的掌握土体的位移情况，本次模拟过程中在软件中设置了多个测点监测不同开挖深度土体地表沉降和土层水平位移。每层测点按照从基坑边缘坡面开始依次间距2 m设置，每层设置6个点。具体见图4所示。
Figure 4. Location of each monitoring point
图4. 各监测点位置
1) 剖面1水平位移模拟曲线(图5~10)
Figure 5. Horizontal displacement of the first layer monitoring point
图5. 第一层监测点水平位移
Figure 6. Horizontal displacement of the second level monitoring point
图6. 第二层监测点水平位移
Figure 7. Horizontal displacement of the third level monitoring point
图7. 第三层监测点水平位移
Figure 8. H Horizontal displacement of the fourth level monitoring point
图8. 第四层监测点水平位移
Figure 9. Horizontal displacement of the fifth level monitoring point
图9. 第五层监测点水平位移
Figure 10. Horizontal displacement of each monitoring point
图10. 各监测点水平位移综合图
2) 剖面2水平位移模拟曲线(图11~15)
Figure 11. Horizontal displacement of the first layer monitoring point
图11. 第一层监测点水平位移
Figure 12. Horizontal displacement of the second level monitoring point
图12. 第二层监测点水平位移
Figure 13. Horizontal displacement of the third level monitoring point
图13. 第三层监测点水平位移
Figure 14. Horizontal displacement of the fourth level monitoring point
图14. 第四层监测点水平位移
Figure 15. Horizontal displacement of the fifth level monitoring point
图15. 第五层监测点水平位移
3) 剖面3水平位移模拟曲线
图16~23为基坑剖面1、2、3分步开挖各个监测点水平位移曲线图。由上面各图可以得出基坑开挖过程中，水平位移的变化规律：
Figure 16. Horizontal displacement of each monitoring point
图16. 各监测点水平位移综合图
Figure 17. Horizontal displacement of the surface monitoring point
图17. 表层监测点水平位移
Figure 18. Horizontal displacement of the first level monitoring point
图18. 第一层监测点水平位移
Figure 19. Horizontal displacement of the second level monitoring point
图19. 第二层监测点水平位移
Figure 20. Horizontal displacement of the third level monitoring point
图20. 第三层监测点水平位移
Figure 21. Horizontal displacement of the fourth level monitoring point
图21. 第四层监测点水平位移
Figure 22. Horizontal displacement of the fifth level monitoring point
图22. 第五层监测点水平位移
Figure 23. Horizontal displacement of each monitoring point
图23. 各监测点水平位移综合图
a) 3个剖面基本反映了类似的水平变形特征，各层的监测点在开挖前几步水平位移趋势和开挖最后一步位移趋势相同，不同是最后一步开挖对监测点位移的扰动更加剧烈，出现了较大的位移。
b) 基坑水平变形量与开挖深度存在较好的相关性。随着开挖深度的增加，基坑水平变形量也呈现逐渐增大的趋势。基坑开挖工作结束后，基坑中上部土体的水平位移值出现最大值，剖面一为27.01 mm、剖面二为26.46 mm、剖面三为28.16 mm。分别为基坑开挖深度的3.4‰、4.4‰、3.5‰，符合规范要求。
c) 开挖同一深度时，土体的水平位移与土体与基坑边缘的距离存在一定的负相关性，随着距离基坑边缘距离的增加，水平位移呈现逐渐减小的变化趋势。从模拟的结果来看，距离基坑边缘约4 m范围内，土体水平变形量较大，这与现场监测的结果也是相一致的。
d) 沿着基坑垂直方向由上向下看，水平变形量曲线呈抛物线型，具有“先增大，后减小”的趋势。由数值模拟数据可以看出，三个剖面的最大水平变形量都没有超过设计值的8 cm。说明本方案理论设计的基坑形状、支护参数合理可靠 [11]。
3.2. 地表沉降分析
图24~26为三个剖面沉降图，由图可知：
1) 每个剖面前几步开挖后，监测点的沉降曲线形状相似，最后一步开挖后形状变化明显。
2) 剖面2和剖面3在基坑边缘基坑开挖前三、四步没有沉降，反而出现了上升的现象，但是在基坑开挖结束后，基坑边缘附近还是表现出沉降的趋势。
3) 剖面1基坑表面各测点呈现一直沉降的趋势，直至开挖的前四步随着距离基坑的距离增加，沉降量出现减少的现象，第五步开挖稳定后基坑边缘附近沉降变缓慢，而在距基坑边缘2 m左右沉降量达到最大。
5) 三个剖面最终的沉降曲线形状基本相同，呈先增大后减少的趋势，曲线形状类似于“勺子”状。主要原因是土钉墙和混凝土层共同作用，限制了表面土体的自由变形，从而使表面土体的强度得到一定程度的提高。
6) 三个剖面的最大沉降量分别为10.64 mm、3.4 mm、11.25 mm，为开挖深度的1.33‰、0.56‰、1.4‰，符合规范要求。基坑最大沉降值距离基坑边缘2 m左右。沉降量较小对周围建筑物和公路影响较小。
根据基坑水平位移和沉降结果综合分析，基坑坡面最大水平位移处位于基坑边坡中上部，最大沉降值出现在在距离基坑边缘2 m的位置。计算结果满足设计要求。此结果与多数基坑模拟结果趋势一致。
Figure 24. Section 1 measurements settlement chart
图24. 剖面1测点沉降图
Figure 25. Section 2 measurements settlement chart
图25. 剖面2测点沉降图
Figure 26. Section 3 measurements settlement chart
图26. 剖面3测点沉降图
4. 基坑变形模拟结果与实测结果对比分析
4.1. 沉降对比
图27~29为数值模拟沉降结果与现场实测沉降结果对比图。通过分析图中对应点的变化情况可以得出：
1) 从对比结果中可以看出，基坑各个剖面模拟结果与现场实测结果曲线的形状基本相同，发展趋势基本相同，由此可以看出，模拟结果存在较大的可信度。
2) 现场实测三个剖面的曲线显示，下沉量最大的位置位于距基坑坡面边缘大约2 m的范围内，曲线整体呈先增大后减小的趋势，距离基坑坡面的距离越大，其下沉量越小。模拟结果与现场实际情况基本吻合。
3) 现场实测数值基本偏大于模拟结果，这可能是由于模拟过程中进行了一些条件的简化造成的。
4) 现场监测结果显示距离基坑边缘20 m以外，土体基本不发生任何变化，没有受基坑开挖的扰动，这说明本项目开展过程中所设计的基坑支护方案，在保证基坑本身稳定的同时，对周围的建筑物和公路影响较小，满足规范与现场施工的要求。
Figure 27. Section 1 survey point settlement comparison chart
图27. 剖面1测点沉降对比图
Figure 28. Section 2 survey point settlement comparison chart
图28. 剖面2测点沉降对比图
Figure 29. Section 3 survey point settlement comparison chart
图29. 剖面3测点沉降对比图
4.2. 坡面不同深度水平位移对比
图30~32为数值模拟坡面各个测点模拟结果与现场实测结果对比图。通过分析图中对应点的变化情况可以得出：
1) 模拟结果与实测结果曲线形状基本类似，大致呈现为抛物线状。
2) 剖面1和剖面三为深8 m的基坑，两个剖面的坡面水平变形最大位置基本上都是在基坑坡面的中上部；二剖面2为深6 m的基坑，坡面最大水平位移主要出现在基坑的中下部。
3) 现场实测数值基本偏大于模拟结果，这可能是由于模拟过程中进行了一些条件的简化造成的和现场施工质量两方面相关。
4) 基坑坡面的水平位移数据显示本次施工所采用的支护方案具有一定的合理性。方案的设计以及数值模拟的过程对具有类似条件的基坑施工设计方案具有一定的指导性。
Figure 30. Comparison of horizontal displacement of slope at Section 1
图30. 剖面1测点坡面水平位移对比图
Figure 31. Comparison of horizontal displacement of slope 2
图31. 剖面2测点坡面水平位移对比图
Figure 32. Contrast map of the horizontal displacement of the profile 3
图32. 剖面3测点坡面水平位移对比图
4.3. 基坑支护结构合理性评价
通过分析支护体结构受力和基坑土体水平变形量和地表沉降，基坑水平变形量最大基本在基坑坡面的中上部，三个剖面最大变形量为28.16 mm；地表沉降极值在距离基坑边缘2 m的位置，最大沉降量为11.25 mm；根据设计方案中要求该基坑为二级基坑，基坑的变形量不超过8 cm即满足要求，上述数据表明支护设计方案完全能够满足要求。同时通过现场设置测站观测基坑变形得出的结果基本与数值模拟结果相符，也说明设计方案和数值模拟计算的模型选取及开挖施工顺序合理可靠，能够保证基坑的稳定性 [1]。
5. 结论
1) 数值模拟结果显示：当开挖到基坑底部时，基坑中上部水平位移值达到最大，剖面一为27.01 mm、剖面二为26.46 mm、剖面三为28.16 mm。分别为基坑开挖深度的3.4‰、4.4‰、3.5‰，符合规范要求。开挖统一深度时，随着距离基坑边缘距离的增加，水平位移逐渐减小；沿着基坑垂直方向由上向下看，水平位移线增大达到最大之后再减小。三个剖面的最大水平位移都没有超过设计值的8 cm。所以说明理论设计的基坑形状、支护参数合理可靠。
2) 每个剖面前几步开挖后，监测点的沉降曲线形状相似，最后一步开挖后形状变化明显。剖面2和剖面3在基坑边缘基坑开挖前三、四步没有沉降，反而出现了上升的现象，但是在基坑开挖结束后，基坑边缘附近还是表现出沉降的趋势。剖面1基坑表面各测点表现出一直沉降，开挖的前四步随着距离基坑的距离增加沉降量逐渐减小，第五步开挖稳定后基坑边缘附近沉降变缓慢，而在距基坑边缘2 m左右沉降量达到最大；三个剖面最终的沉降曲线形状基本相同，类似于“勺子”状；三个剖面的最大沉降量分别为10.64 mm、3.4 mm、11.25 mm，为开挖深度的1.33‰、0.56‰、1.4‰，符合规范要求。基坑最大沉降值距离基坑边缘2 m左右。沉降量较小对周围建筑物和公路影响较小。
3) 数值模拟沉降结果与现场实测数据对比结果表明数值模拟与实际情况较为吻合，只有局部略有偏差。