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【摘 要】本文结合新光城市广场基坑工程施工，通过对基坑围护结构变形监测，根据该基坑工程条件动态变化特征及时修正ABAQUS有限元模拟条件，预测基坑围护结构变形并制订相应的加固处理措施，将其结果与实际监测数据进行分析比较，用来指导该基坑的动态施工取得了良好效果。
【关键词】基坑变形；监测；ABAQUS有限元；预测
The monitor for deformation of foundation pit by the software ABAQUS
Zhen Jing-lian,Jia Rui-chen
(Hunan Technical College of Railway High-speed Hengyang Hunan 421001)
【Abstract】The deformation of foundation pit excavation for different work condition is simulated for ABAQUS, and contrastive analysis is made between analogue result and monitoring data of foundation pit Excavation, then adjusting relevant parameters to receive rational model. It is relevant for the model through simulating the engineering example. The deformation of foundation pit excavation for all work conditions is simulated, and relevant treatments are suggested in this paper to guide engineering practice.
【Key words】Deformation of foundation pit;Monitor;FEM for ABAQUS;Forecasting
深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，而且要有效控制基坑周围地层变形以保护周围环境。本文以一深基坑工程实例，通过深基坑施工全程的变形监测，包括对该基坑支护在开挖后局部位移监测结果超过了报警值、水平位移还在持续增加的险情，采用ABAQUS［1］有限元分析软件对基坑支护结构的变形进行模拟分析及预测，将其结果与实际监测数据进行比较分析，针对险情制订并实施了基坑加固措施，取得了成功经验，可供类似工程参考借鉴。
图1 基坑开挖过程中J1测点支护结构的水平位移随深度的变化图
1. 工程概况
广州新光城市广场深基坑工程，长约110米，宽约80米，平面呈矩形分布，基坑开挖深度达21.0米，地面标高为±0.0m，基坑底标高为-21.0m。采用1.2m人工挖孔桩为基坑支护结构，四道钢筋混凝土作内支撑。人工挖孔桩桩径1200mm，桩间距1500mm，桩长26.0m。支撑设纵、横撑及斜撑，采用400mm×400mmH钢，腰梁尺寸为1200mm×600mm。为确保基坑安全，做到“信息化”施工，基坑周围布置了8个测斜观测点，26个桩顶变形观测点，4个水位观测点，10个轴力测点。基坑工程测斜孔的深度取28m，布置在基坑围护体系外侧1.5m左右。土层分布依次为：杂填土，淤泥质土，粉质粘土，强风化岩，中、微风化岩。基坑开挖分五个工况，开挖深度依次为：2m、7m、11m、15m、21m每开挖一层土设一道支撑。
2. 围护结构变形预测分析
本基坑工程安全等级为一级，基坑最大水平位移不得超过30mm。水平位移预警值：累计位移24mm，位移速率5mm/d。基坑为双对称，本文取东南角1/4基坑进行模拟预测研究。土体单元及人工挖孔桩采用三维八节点实体减缩积分单元(C3D8R)来模拟，支撑和腰梁采用三维梁单元来模拟。分五次移除基坑内土体及相应的接触面，实现了开挖模拟，得出每次基坑开挖过程中支护结构的水平位移随深度的变化［2,3］。
图2 基坑开挖过程中J2测点支护结构的水平位移随深度的变化图
基坑在开挖过程中所发的支护结构侧向水平位移如图1、2所示。将基坑开挖过程中J1、J2测点支护结构的水平位移随深度的变化实测值与模拟值进行比较，发现模拟值基本上能反映实际基坑开挖过程。
从图1可看出基坑开挖过程各工况中支护结构水平位移增加速率比较均匀，这是因为J1测斜孔位置处施工方法都是随挖随撑，土体蠕变变形较小。从图2可看出：J2测斜孔从工况一到工况四的水平位移增加速率较均匀，工况五支护结构水平位移的预测值与实测值均比工况四有较大的增加。原因是第4步开挖完成后，由于施工遇到连续降雨延误了工期，没及时设置支撑，且由于水位升高，土体土压力增大，出现蠕变变形，变形速率显著增加，对该测孔进行加密观测。按原设计及时设置支撑的模拟结果（最大水平位移35.9mm，位于-9.8m高程处）与实测位移相差较大，见图3。根据信息化施工的原则，及时改变施工参数（土体参数、地下水位、暂不考虑第四道支撑）重新进行第五工况的模拟，水平位移变形值（最大水平位移149.4mm，位于-15m高程处）远大于警戒值且变形速率大，基坑有破坏的危险，见图4。及时采用堆土反压的措施，抑制了基坑的变形，并再次用ABQUS软件模拟此工况，基坑侧向变形趋于稳定，模拟水平位移最大值为114mm，实测结果为118mm，如图5所示。避免了事故的发生，保证了基坑的稳定。
图3 J2测点第五步开挖后及时支撑时支护结构的水平位移随深度的变化图
图4 J2测点第五步开挖后堆土反压前支护结构水平位移随深度的变化图
3. 结论
（1）通过五个工况对该基坑支护结构变形模拟结果与实测结果相近，表明：采取ABAQUS有限元分析软件对基坑支护结构变形进行预测是可行的，预测结果可以用于指导基坑工程施工。
（2）考虑基坑对称性质和空间效应［4］的影响，采用三维模型选取
四分之一基坑为对象，大大减少计算工作量，且模拟结果与实测结果基本吻合，说明按对称性选取计算范围模拟基坑变形是可行的。
（3）侧向位移的分布形态基本为上下小、中部较大的U型分布，水平支撑的设立对减小结构的侧向位移起了积极的作用，故上部土体的侧向水平位移小；下端土体的侧向水平位移小，因桩嵌固于中、微风化岩层，岩石基床系数远大于上部土层，极大的抑制了基坑的变形［5］。
（4）对于基坑支护结构变形预测，应注意：基坑工程条件是动态变化的，模拟条件应随现场条件的变化及时修正，以利于正确预测基坑变形和制订相应的加固处理措施。
（5）堆土反压是一项行之有效的基坑工程抢险措施，保证了基坑及周边环境的安全。
图5 J2测点第五步开挖后支护结构的水平位移随深度的变化图
参考文献
［1］ 庄茁等译.ABAQUS有限元软件6.4版入门指南［M］.北京:清华大学出版社，1998.
［2］ 陶红煜等.基于计算机模拟的深基坑变形动态控制技术［J］.施工技术，2010，(1):94～96.
［3］ 贺俊等.复杂条件下深基坑施工变形控制及周边环境监测分析［J］.铁道建筑2010，(7):96～99.
［4］ 俞建霖，龚晓南，深基坑工程的空间性状分析，岩土工程学报，1999.21(1)66～68.
［5］ WilliamsA.F.，PellsP.J.N..Sideresistanceinsocketsinsandstonemudstoneandshale,CanGeotech.J.,18.1981,502～513.
［文章编号］1006-7619（2011）11-10-135
［作者简介］ 甄精莲（1979-），女，籍贯：黑龙江人，主要研究方向：地基与基础施工与设计。
【关键词】基坑变形；监测；ABAQUS有限元；预测
The monitor for deformation of foundation pit by the software ABAQUS
Zhen Jing-lian,Jia Rui-chen
(Hunan Technical College of Railway High-speed Hengyang Hunan 421001)
【Abstract】The deformation of foundation pit excavation for different work condition is simulated for ABAQUS, and contrastive analysis is made between analogue result and monitoring data of foundation pit Excavation, then adjusting relevant parameters to receive rational model. It is relevant for the model through simulating the engineering example. The deformation of foundation pit excavation for all work conditions is simulated, and relevant treatments are suggested in this paper to guide engineering practice.
【Key words】Deformation of foundation pit;Monitor;FEM for ABAQUS;Forecasting
深基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全与稳定，而且要有效控制基坑周围地层变形以保护周围环境。本文以一深基坑工程实例，通过深基坑施工全程的变形监测，包括对该基坑支护在开挖后局部位移监测结果超过了报警值、水平位移还在持续增加的险情，采用ABAQUS［1］有限元分析软件对基坑支护结构的变形进行模拟分析及预测，将其结果与实际监测数据进行比较分析，针对险情制订并实施了基坑加固措施，取得了成功经验，可供类似工程参考借鉴。
图1 基坑开挖过程中J1测点支护结构的水平位移随深度的变化图
1. 工程概况
广州新光城市广场深基坑工程，长约110米，宽约80米，平面呈矩形分布，基坑开挖深度达21.0米，地面标高为±0.0m，基坑底标高为-21.0m。采用1.2m人工挖孔桩为基坑支护结构，四道钢筋混凝土作内支撑。人工挖孔桩桩径1200mm，桩间距1500mm，桩长26.0m。支撑设纵、横撑及斜撑，采用400mm×400mmH钢，腰梁尺寸为1200mm×600mm。为确保基坑安全，做到“信息化”施工，基坑周围布置了8个测斜观测点，26个桩顶变形观测点，4个水位观测点，10个轴力测点。基坑工程测斜孔的深度取28m，布置在基坑围护体系外侧1.5m左右。土层分布依次为：杂填土，淤泥质土，粉质粘土，强风化岩，中、微风化岩。基坑开挖分五个工况，开挖深度依次为：2m、7m、11m、15m、21m每开挖一层土设一道支撑。
2. 围护结构变形预测分析
本基坑工程安全等级为一级，基坑最大水平位移不得超过30mm。水平位移预警值：累计位移24mm，位移速率5mm/d。基坑为双对称，本文取东南角1/4基坑进行模拟预测研究。土体单元及人工挖孔桩采用三维八节点实体减缩积分单元(C3D8R)来模拟，支撑和腰梁采用三维梁单元来模拟。分五次移除基坑内土体及相应的接触面，实现了开挖模拟，得出每次基坑开挖过程中支护结构的水平位移随深度的变化［2,3］。
图2 基坑开挖过程中J2测点支护结构的水平位移随深度的变化图
基坑在开挖过程中所发的支护结构侧向水平位移如图1、2所示。将基坑开挖过程中J1、J2测点支护结构的水平位移随深度的变化实测值与模拟值进行比较，发现模拟值基本上能反映实际基坑开挖过程。
从图1可看出基坑开挖过程各工况中支护结构水平位移增加速率比较均匀，这是因为J1测斜孔位置处施工方法都是随挖随撑，土体蠕变变形较小。从图2可看出：J2测斜孔从工况一到工况四的水平位移增加速率较均匀，工况五支护结构水平位移的预测值与实测值均比工况四有较大的增加。原因是第4步开挖完成后，由于施工遇到连续降雨延误了工期，没及时设置支撑，且由于水位升高，土体土压力增大，出现蠕变变形，变形速率显著增加，对该测孔进行加密观测。按原设计及时设置支撑的模拟结果（最大水平位移35.9mm，位于-9.8m高程处）与实测位移相差较大，见图3。根据信息化施工的原则，及时改变施工参数（土体参数、地下水位、暂不考虑第四道支撑）重新进行第五工况的模拟，水平位移变形值（最大水平位移149.4mm，位于-15m高程处）远大于警戒值且变形速率大，基坑有破坏的危险，见图4。及时采用堆土反压的措施，抑制了基坑的变形，并再次用ABQUS软件模拟此工况，基坑侧向变形趋于稳定，模拟水平位移最大值为114mm，实测结果为118mm，如图5所示。避免了事故的发生，保证了基坑的稳定。
图3 J2测点第五步开挖后及时支撑时支护结构的水平位移随深度的变化图
图4 J2测点第五步开挖后堆土反压前支护结构水平位移随深度的变化图
3. 结论
（1）通过五个工况对该基坑支护结构变形模拟结果与实测结果相近，表明：采取ABAQUS有限元分析软件对基坑支护结构变形进行预测是可行的，预测结果可以用于指导基坑工程施工。
（2）考虑基坑对称性质和空间效应［4］的影响，采用三维模型选取
四分之一基坑为对象，大大减少计算工作量，且模拟结果与实测结果基本吻合，说明按对称性选取计算范围模拟基坑变形是可行的。
（3）侧向位移的分布形态基本为上下小、中部较大的U型分布，水平支撑的设立对减小结构的侧向位移起了积极的作用，故上部土体的侧向水平位移小；下端土体的侧向水平位移小，因桩嵌固于中、微风化岩层，岩石基床系数远大于上部土层，极大的抑制了基坑的变形［5］。
（4）对于基坑支护结构变形预测，应注意：基坑工程条件是动态变化的，模拟条件应随现场条件的变化及时修正，以利于正确预测基坑变形和制订相应的加固处理措施。
（5）堆土反压是一项行之有效的基坑工程抢险措施，保证了基坑及周边环境的安全。
图5 J2测点第五步开挖后支护结构的水平位移随深度的变化图
参考文献
［1］ 庄茁等译.ABAQUS有限元软件6.4版入门指南［M］.北京:清华大学出版社，1998.
［2］ 陶红煜等.基于计算机模拟的深基坑变形动态控制技术［J］.施工技术，2010，(1):94～96.
［3］ 贺俊等.复杂条件下深基坑施工变形控制及周边环境监测分析［J］.铁道建筑2010，(7):96～99.
［4］ 俞建霖，龚晓南，深基坑工程的空间性状分析，岩土工程学报，1999.21(1)66～68.
［5］ WilliamsA.F.，PellsP.J.N..Sideresistanceinsocketsinsandstonemudstoneandshale,CanGeotech.J.,18.1981,502～513.
［文章编号］1006-7619（2011）11-10-135
［作者简介］ 甄精莲（1979-），女，籍贯：黑龙江人，主要研究方向：地基与基础施工与设计。