复杂周边环境下深基坑开挖监测与变形特性分析.pdf

135江西建材2023年5月质量控制与检测复杂周边环境下深基坑开挖监测与变形特性分析李彦睿中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁沈阳110004摘要：基坑开挖过程中，地下连续墙的周边地面沉降和位移控制是工程安全面临的主要挑战。文中通过分析监测数据，对基坑开挖过程进行了三维数值模拟，确定支护结构的变形规律等特征。结果表明，地下连续墙周边地表沉降主要受基坑开挖深度影响。此外，每种工况下的壁变形均表现出线性，具有明显的阶段特征，特别是变形曲线具有明显的拐点，大部分拐点位于整体开挖深度的2/3以上。该方法为基坑开挖的安全控制和可持续研究提供了新的参考。关键词：基坑开挖；监测数据；变形；地下连续墙中图分类号：P642文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 5-0 135-0 3Monitoring and Deformation Characteristics Analysis of DeepFoundation Pit Excavation in Complex Surrounding EnvironmentLi YanruiChina Construction Materials Industry Geological Exploration Center Liaoning Headquarters,Shenyang,Liaoning,110004Abstract:The main challenge to engineering safety is to control the surrounding ground settlement and displacement of the undergroundcontinuous wall during the excavation process of the foundation pit.This study analyzed monitoring data and conducted three-dimensionalnumerical simulation of the excavation process of the foundation pit to determine the deformation patterns and other characteristics of thesupport structure.The results indicate that the surface settlement around the underground continuous wall is mainly affected by the excavationdepth of the foundation pit;In addition,the wall deformation under each operating condition exhibits linear characteristics with distinctstages.Especially the deformation curve has obvious inflection points,most of which are located at more than 2/3 of the overall excavationdepth.This method provides a new reference for the safety control and sustainable research of foundation pit excavation.Key words:Excavation of foundation pits;Monitoring data;Deformation;Underground continuous wall0引言深基坑的开挖会对周边环境造成较大影响，因此，需要对深基坑开挖的监测和变形特性进行深入研究，以确定相应的解决方案(1-2 。地下连续墙因其高稳定性、刚性、抗渗性，以及可预测的变形特性而被广泛用于基坑支护3-4。本文对某基坑工程的地下连续墙进行了监测和仿真，对监测数据进行分析，确定支护结构的变形规律和其他特征5-6 ，对基坑开挖进行了三维数值模拟。1工程概述该基坑岩土层为粉砂土、泥土、细砂、中砂、粗砂、强风化泥岩、中风化泥岩、微风化泥岩。根据以上地质条件和锚体的设计要求，地下连续墙采用外径8 2.0 m、壁厚1.5m的圆形结构。坑顶面高程为1.0 0 m，坑底高程为-35.0 0 -43.0 0 m。地下连续墙分为两部分。第1段侧槽长度为2.8 m，中间槽长为1.47 m，槽长为7.07m；第2 节槽长为2.8 m。第1节和第2 节凹槽段的长度在地墙的轴线上为0.2 5m，第1段和第2 段有2 7 个槽。因此，槽分为54个部分。设计最大槽深为46.0 m。在地下连续墙两侧，采用直径50 cm的水泥-粉末喷雾剂对淤泥土进行加固，间距为40 cm，加固深度为15.0 m。作者简介：李彦睿（19 9 1-），男，辽宁海城人，大专，助理工程师，主要研究方向为工程测量。22基坑监测2.1地下连续墙周边表面变形监测由于施工时需要进行地表沉降监测，在基坑东、南、西、北、东南、东北、西南、西北等地布置了一组传感器。典型的沉降监测从基坑外部开始，10 个监测点以5m的相等间隔排列，编号为Di-至Dg-i（i=1-10）。共设置了10 个住区监测段和8 0 个地表沉降监测点。地下连续墙深侧向变形监测是基坑支护变形监测和测量的关键组成部分，共设置P1-P8八个监测点，可直接反映基坑及其支护结构的安全性和稳定性。为保证倾斜管件在高压混凝土作用下的有效运作，根据P1、P3、P5、P7 四个倾斜测量管件所在凹槽段（P1、P3、P5、P7 ）的备用孔位置反复布置斜面测量孔。2.2监测数据分析将地下连续墙划分为54个槽段进行分析。为了便于统计数据处理，选择了与槽段2、15、2 8 和42 相对应的周围沉降和壁偏移数据。在工况模拟中，这四个槽段被定义为对应于模型四个对角线方向的计算结果。2.3莫尔一库仑强度准则莫尔-库仑强度准则指出，剪切破坏是土壤破坏的最根本原因。土壤中任何一点的抗剪强度仅与平面上的法向应力n有关：1362023年5月质量控制与检测江西建材Tf=f(o,)(1)该函数是t-o坐标下的一条曲线，称为摩尔强度线。摩尔包络可以近似为线性关系，称为库仑方程，如下所示：t,=c+o,tand(2)式中：c是土的内聚力（kN），t,是土壤中任何点的抗剪强度（k N），,是计算平面上的法向应力。公式（3）是极限平衡状态下土壤中任何点的应力条件（应力与压缩成正）。这个方程被称为莫尔-库仑强度准则，应力莫尔圆的半径为：61+022sino=cos+utonsinpCR=(3)tan d22式中：0 11和Q22分别是平面土体发生剪切破坏时的最大主应力和最小主应力。当莫尔包络线与材料中应力最大的莫尔圆相切时，土壤会发生剪切破坏。换言之，2 的大小对剪切强度没有影响。莫尔库仑强度准则是主应力空间中的不规则六边形锥体。六边形圆锥体在元平面上的投影是一个不规则的六边形。莫尔一库仑准则被广泛使用，因为本构模型可以准确地反映岩土材料的不等拉伸和压缩特性。然而，由于六边形锥体的不连续角，该模型的数值计算容易出现不收敛。2.4基坑开挖模型的建立本研究中描述的开挖项目包括由地下连续墙和衬砌组成的两部分支撑结构。地下连续墙下端埋人中风化层，埋人深度范围为10 2 0 m。在数值模拟中，有必要简化基坑开挖支护模型和施工步骤，以确保计算能力和准确性。地下连续墙挡土墙结构是在基坑开挖之前建造的。开挖方法选择单层平面开挖，并在每层开挖完成后增加一层衬砌，该过程一直持续到完成所有施工步骤。设计计算模型的尺寸长30 0 m、宽30 0 m、深10 0 m。分段时槽段的错误是由施工现场的错误引起的。通过重叠来收集与某些建模误差相邻的通道截面。因此，简化地下连续墙的厚度计算为1.3m。该模型共有158 40 个单元和17 6 8 0 个节点。模型中的第一层是厚度为2 m的淤泥层；第二层为粉质粘土层，厚度为5m；第三层、第四层和第五层淤泥以及中粗砂层的厚度为6 m；第六层、第七层和第八层为强风化泥岩、中等风化岩石和微风化岩石层，厚度分别为15m、30 m 和30 m。地下连续墙的厚度计算为1.3m。内衬的厚度在0 6 m，深度范围内为1.5m，深度在6 m以下为2 m。在有限元模型中，混凝土材料的参数是根据定义的规范进行分配。计算模型中本构方程所需的物理和机械参数如表1和表2 所示。表1土体参数和指数土层弹性模量/（kNm）泊松比内摩擦角/内聚力/(kNm)单位重量/（kNm）淤泥30000.303515.40黏土50,0000.275816.50细砂80,0000.2318019.00中砂120,0000.2425019.50粗砂200,0000.2228018.80强风化泥岩500,0000.19205019.99中风化泥岩1,000,0000.173045020.50微风化泥岩1,400,0000.153560020.70表2结构和机械参数结构弹性模量/(kNm）单位重量/(kNm3）泊松比地下连续墙3.0 107250.2衬套3.0 107250.23结果分析3.1地表沉降监测分析监测点的最大沉降值为9.9 mm。对于开挖工况1-3，每个监测点的表面沉降呈线性增加。对于工况4-6，监测点产生了相对稳定的沉降。对于工况7-9，每个监测点的沉降量呈线性增加。工况7-9 的增长率大于工况1-4的增长率（图1）。-24U/20-65m-810m15m20m-10一25m0246810工况图1沉降值曲线3.2墙体迁移分析在开挖深度为2 7 m时，每种工况下的墙体变形都是线性的，变形曲线具有分段特征。墙体的位移在一定深度处有一个拐点，即在墙的位移曲线中存在一个峰值。随着开挖深度的增加，该点逐渐移深，通常位于最大开挖深度附近。这与悬臂桩的变形特征不同（桩的下部是固定的，上部受到侧向推力），因为圆形地下连续墙的性能是由其自身的环形约束力引起的。我们将每种工况的这一点称为“圆形地下连续墙变形拐点”。3.3基坑周围的沉降分析基坑周围只有少数建筑物和社区。因此，施工机械和基坑附近的土壤荷载是沉降的主要因素。本文对槽的外边缘的表面沉降也进行了研究。由于网格和模型计算的限制，对4m、8 m、12m、17 m、2 2 m、2 7 m、37 m、47 m、57 m 和7 0 m深度进行了沉降分析。结果表明地表沉降呈线性，并随着基坑开挖深度的增加而增加。基坑外约2 7 m范围内的地表沉降随着开挖深度的增加而迅速增加。基坑表面以外的地面沉降量约为50 m，受基坑开挖深度的影响较小。最大表面沉降位于基坑边缘附近，最大值为2.715mm。（下转第139 页）139上接第136 页）质量控制与检测江西建材2023年5月工作时间。使用Pix4Dmapper软件对获得的无人机图像进行处理。处理后的点云模型输出为XYZ格式，为后续算法处理提供原始数据。3.2点云数据分析在获得基坑点云数据后，MATLAB软件用于数据简化。精简后的点云数据保留了原点云模型的数据特征，同时去除了穴余数据点，有利于加快后续安全监控模型的运行效率。安全角阈值Q设置为18，以黄色或红色显示的点表示使用等式（3）的潜在局部不安全区域。这意味着部分土壤存在塌陷的危险。从点云构建三角网格，计算基坑局部变形分布。如表2 所示，确定了一组具有潜在危险的局部区域。平均倾角表示局部区域的平均倾角，即局部网格。表2基坑的潜在危险局部区域编号平均倾角/平均DR面积比/%LD12.580.8570.80.30025.150.7141.40.50433.280.8183.00.50949.340.48121.80.69852.960.8353.90.7154结语传统的数据采集方法，如三维激光扫描、GPS和GIS，通常对设备有较高要求且过程复杂，导致其应用非常困难，测量通3.4地下连续墙的位移在基坑开挖过程中，地下连续墙受到土壤应力的影响而偏移。选择2、15、2 8 和42 号槽的地下连续墙的位移模型进行数据处理。由于网格和模型操作的限制，对3m、6 m、9 m、12 m、15m、18m、2 1m、2 4m、2 7 m、30 m 和40 m位置的位移进行了分析（见图2）。6工况2工况3工况4工况5工况6工况7/4工况8工况9320102030405060深度/m图2插槽的墙偏移这些结果揭示了以下内容：（1）墙体偏移量随着开挖深度的增加而线性增加。此外，每种工况下的壁面偏移量都出现峰值，之后壁体偏移量开始减小。随着开挖深度的增加，墙的最大偏移量移动更深。（2）没有反向偏移计算，墙的最大偏移集中常需要数小时。此外，目前的基坑安全检测方法倾向于测量基坑的整体状况，并认为其整体变形或平移在限度内是安全的，然而，局部严重变形可能会对现场工人构成危险。本文提供了一种基于局部变形分布的基坑施工快速监测分析方法。以基坑无人机图像为输人，以基坑边坡安全倾角为安全监测指标，通过识别连续大局部变形区域，计算局部变形分布值，评价基坑局部安全状态。结果通过基坑重建网格中的颜色与原始图像相结合进行可视化。参考文献【1】李力，李海斌，赵庆攀.深基坑工程自动化监测技术与实践J。广东建材，2 0 2 3，39（4）：53-55.2周帅涛.深基坑施工中基坑监测技术的应用【J】.江西建材，2022(12):95-96,99.3赵莽，吴大国，姚运昌.深基坑工程变形监测方法探讨J。建筑安全，2 0 2 3，38（2）：9 0-9 2.4胡贝.无人机遥感测绘在基坑监测中的应用研究【J】.工程建设与设计，2 0 2 0（2 4）：2 42-2 43.5王挺.无人机遥感测绘在基坑监测中的应用探究【J。内蒙古煤炭经济，2 0 2 0（19）：19 3-19 4.6张爱军，刘伏志，黄政，等.无人机在施工管理及BIM中的应用J】.市政技术，2 0 19，37（3）：2 52-2 54.在大约总开挖深度的2/3的深度。（3）随着开挖深度的增加，墙体偏移曲线呈D型分布，模拟的最大偏移量为5.8 37 mm。4结语分析、监测和模拟结果表明，圆形地下连续墙的变形具有独特的约束特征。每种工况下的壁面偏移量都出现峰值，之后壁体偏移量开始减小，且变形曲线有明显的拐点，大部分拐点位于总开挖深度的2/3以上，最大壁面偏移监测值与模拟值的偏差仅为4.31%。因此，监测和本文的模拟数据非常一致，这为基坑开挖的安全控制和可持续研究提供了新的方法。参考文献【1】蒋兴祥，吴勇，张向阳.复杂周边环境下深基坑开挖监测与变形特性分析【J】.工程质量，2 0 2 2，40（7）：52-55.2袁金丽.深基坑开挖监测分析及数值模拟研究【J】.海河水利，2023(4):96-99.3王闯.软土地层深基坑开挖监测与模拟分析J.建筑技术开发，2022,49（12）：16 2-16 4.4孙梦尧，陈保国，秦善良.共墙深基坑开挖监测数据分析及数值模拟J】.工程建设，2 0 2 3，55（2）：1-7.5吴培元.深基坑开挖支护结构监测分析【J】.智能城市，2 0 2 0，6(9):174-175.6袁金丽.深基坑开挖监测分析及数值模拟研究【J】.海河水利，2023（4):9 6-9 9.