深基坑开挖变形检测及数值模拟分析

深基坑开挖变形检测及数值模拟分析

摘要：随着我国工程建设的快速发展，深基坑的应用越来越普遍，在地铁、高层建筑等施工的过程中都需要应用到深基坑。深基坑开挖过程中会产生一定的变形，如何做好基坑的变形监测，确保基坑开挖的安全，成为了基坑施工中的关键。通过借助数值模拟分析的方法，加强现场监测，能够及时了解基坑的运行状态，对于确保基坑的安全具有重要的意义。

关键词：基坑变形；监测；模拟

数值模拟作为一种重要的数学方法，在工程设计和施工中发挥了重要的作用，能够了解基坑开挖过程中的变形规律等，对于基坑的变形预测具有重要的帮助。在基坑开挖的过程中受到的干扰因素比较多，增加了其变形监测的难度，为变形预测等带来了困难。通过采取科学的监测方法，能够及时了解基坑的变形情况，便于采取有效措施保障基坑的安全，对于基坑施工具有积极的意义。

一、基坑的变形监测

1.基坑变形监测的必要性

在深基坑开挖的过程中，由于土体以及支护结构受力状态比较复杂，导致基坑的设计以及施工方法还不够完善，特别是一些地质情况复杂的区域，所计算出的结果与实际施工过程存在一定的差距。为了确保深基坑施工的安全性，需要加强对基坑开挖的变形监测。通过变形监测能够及时地发现基坑开挖过程中的风险因素，提前做好防护措施，减少基坑变形所造成的损失。基坑变形监测确保了基坑施工的安全，也得到了施工单位和科研单位的一致认可。通过基坑变形监测，将得到的监测值和预测值进行比较，能够知道施工是否达到了预期的要求，从而改进施工工艺等。基坑监测能够及时了解到周边建筑物或者管线的变形情况，减少对周边环境的影响。基坑监测还能够及时地调整支撑系统的受力情况，使深基坑在开挖的过程中处于安全的状态。

2.基坑变形监测的方法

在基坑变形监测的过程中需要借助一定的仪器和设备，测线仪能够有效地测量深层水平位移，主要用来测量地下结构、土体等的深层水平位移，能够满足深基坑的监测需要。测线仪主要分为固定式和活动式两种形式，固定式是将侧头固定埋设的固定点上；活动式是先埋设带有导槽的测斜管，过一段时间之后测量导槽的斜度变化情况，从而计算出其水平位移。分层沉降仪通过电磁频率的变化来观测埋设在土体中不同深度磁环的位置，从其位置变化情况来计算土层不同标高的沉降情况，主要用来检测深基坑开挖过程中的竖直方向的位移。

二、基坑变形的数值模拟分析

1.数值模拟方法简介

在基坑变形数值模拟分析中应用的方法比较多，主要有有限元法、有限差分法等，有限差分法在模拟分析的过程中表现出了比较好的适应性，得到了工程界的广泛认可，在实际应用中取得了比较好的效果。拉格朗日法是一种分析大变形问题的数值分析方法，随着结构的不断变化而不断地更新坐标。在应用的过程中通过对网格进行划分，能够将物理问题转化为数学问题，并且实现物理网格和数学网格的一一对应。在具体的应用中，某个节点受到了周围区域合力的影响，当合力不为零时，在节点就有了不平衡力的作用，从而发生位移等。对于各个区域来说，可以根据节点的运动速度而得到应变率，最终得到应力的增量和位移值。当物体在发生变形时，结构会发生整旋转等，通过计算得到应力的变化值，叠加之后就得到新的应力值。可以借助相应的软件程序来计算应力的变化情况，当单元体中的最大不平衡力随着时步的增加而逐渐地变小时，说明了计算结果是可靠的。

2.建立数学模型

在深基坑开挖时，其变形取决于开挖的深度、平面形状以及土质等因素的影响。在开挖距离

1倍于土桩深度内是沉陷变形的主要影响区，1~2倍土桩深度是沉陷变形的次要变形区。在建立模型时，可以对实际模型进行简化，不考虑其排水条件的影响，不考虑围护结构对土体应力的影响。在土体单元选择上可以应用八节点等参单元，支护桩应用弹性杆系单元等来进行模拟。在模型中，每开挖一层，就将开挖的土体设置为Null模型；开挖之后相当于自动生成等效释放的荷载。边界条件选择无限远为零，在模型中可以选择为零。假设在基坑开挖的过程中，其截面呈现出L型的不规则面，所以在开挖过程中各个区域产生的应力是不均匀的，为了分析基坑开挖的安全，选择开挖变形比较大的截面进行数值分析。假定土体的应力遵守塑性模型，那么根据屈服准则，可以得到应力的数据。在基坑开挖的过程中，受到的力主要是土力和岩土力，而且和开挖的过程有关。在模型中可以根据不同的开挖阶段，加上不同的荷载条件，从而模拟不同加载条件下的变形情况，得到了基坑开挖过程中不同方向的变形情况，最终选择合适的设计方案等。在模拟分析中发现地表沉降受到了基坑开挖的影响，地表沉降随着时间的拉长出现了缓慢变化的情况。集中荷载对于地表沉降具有显著的影响，在基坑开挖的过程中应当努力避免将施工材料堆积在基坑周围。

3.数值模拟分析的结论

在基坑开挖的过程中，支护墙体的水平位移与基坑开挖的深度、时间以及内支撑的位置具有比较密切的关系，在基坑开挖初期水平位移比较小，最大的位移量主要体现在支护墙体的上部。随着基坑开挖深度的增加，墙体出现了向基坑内变形的情况。在基坑开挖的后期，支护墙体的水平位移主要集中在坑底下端，墙体下部受到了土体挤压作用。在基坑开挖完成之后，随着支护结构的完善，支护墙体的水平位移逐渐地稳定。周围建筑物的表面沉降，在开挖阶段周围环境中出现了沉降变化，而且基坑中间的沉降比较大，两侧的沉降比较小。支护墙体在竖直方向的位移表明了支护墙体不仅受到了水平方向的位移，同时在竖直方向上位移也在不断地发生变化，支护墙体受到了隆起作用和摩擦作用。

三、结束语

有限差分数值模拟方法在深基坑的开挖和支护过程中具有广泛的应用，对于提前掌握深基坑开挖过程中的应力变化情况提供了科学的依据，能够帮助设计人员了解土体应力的变化规律等。通过将数值模拟分析得到的结果与监测值进行对比，能够确定支护方案的科学性和合理性，便于及时采取有效措施保障施工的安全。深基坑开挖受到了地质以及土体力的影响，为了防止安全事故的发生，应当设计好科学的支护结构，选择合理的施工方案。同时加强施工过程中的位移和沉降监测，确保基坑变形在规定值内，保障施工的安全。

参考文献：

[1]谢方媛. 深基坑开挖变形及稳定性数值模拟研究[D].河北工程大学,2013.

[2]李天龙. 基坑开挖变形监测数值模拟分析研究[D].合肥工业大学,2012.