摘要
深层水平位移是基坑监测较为重要的一种，由于深层水平位移监测点布置位不同监测数据不尽相同，深层水平位移监测数据是否报警并不能准确判断，这也给基坑安全带来隐患。本文基于某基坑项目典型剖面的勘察设计方案，采用深层水平位移的实测值与数值模拟值进行比较，首先验证本构模型及本构参数的合理性，在此基础上进一步采用数值模拟布置于不同位置的深层水平位移监测点在不同工况下的变形差异，总结出距离支护结构越远的深层水平位移监测值越小的规律，进一步得到将深层水平位移监测点设置在支护结构外侧深层水平位移存在报警延迟的结论，并在此基础上提出一种采用抗倾覆安全系数反向计算较为合理的确定深层水平位移报警值的方法。
Abstract
Deep horizontal displacement is one of the more important types of pit monitoring， due to the deep horizontal displacement monitoring point arrangement of different monitoring data is not the same， deep horizontal displacement monitoring data whether alarm cannot be accurately judged， which also brings hidden dangers to the pit safety. In this paper， based on the investigation and design scheme of a typical section of a foundation pit project， the measured value of deep horizontal displacement is compared with the numerical simulation value，firstly， the reasonableness of the intrinsic model and the intrinsic parameters are verified， and based on this， the numerical simulation is further used to simulate the deformation difference of the monitoring point of the deep horizontal displacement arranged in different positions under different working conditions， and it is summarized that the further the distance from the supporting structure， the smaller the value of the monitoring of deep horizontal displacement is， and furthermore， it is obtained that the monitoring data of the deep horizontal displacement will be changed into the monitoring data of the deep horizontal displacement. On the basis of this， a numerical simulation is used to simulate the deformation difference between different locations of deep horizontal displacement monitoring points under different working conditions， and it is summarized that the farther away from the supporting structure， the smaller the monitoring value of deep horizontal displacement is， and it is concluded that there is a delay in the alarm of deep horizontal displacement when the deep horizontal displacement monitoring points are set at the outer side of the supporting structure.
Keywords
0 引言
随着城市化脚步加快，城市用地日益紧张，因城市周边几乎都是比较重要的建构筑物，修建地下室时，基坑开挖变形控制越来越严格，对基坑的变形监测要求也越来越高。在众多变形监测方法中，深层水平位移（苏峰格，2023）是其中最为重要且最能真实反映基坑开挖对周边环境影响的一种。根据《建筑基坑工程监测技术标准》，深层水平位移监测宜采用在围护墙体或土体中预埋测斜管（徐四一和丁传松，2023），但竖向深层水平位移监测孔布置的位置有很大不同，有的布置在支护结构内（陈卫南，2021），有的布置在支护结构外侧。学者们研究发现，深层水平位移不仅在基坑深度上一般呈现上下小于中部的鱼腹状（来庆专等，2015；何钦等， 2022；赵蕊等，2023），而且设置在支护结构上的深层水平位移比设置在支护结构外侧的深层水平位移监测值大（金旭等，2023），若深层水平位移监测孔设置在支护结构外侧，则今后的深层水平位移监测值将会偏小、偏慢，导致报警延迟。本文采用实际案例典型剖面进行数值模拟（陈涛等，2018）得到支护结构位置、支护结构外侧一定范围的深层水平位移，并与实测结果进行比较，分析深层水平位移监测孔和支护结构距离对监测值的影响程度，发现设置与支护结构外侧的深层水平位移存在偏小迟滞现象，这可能导致报警延迟，在此基础上提出一种较为合理的确定深层水平位移报警值的方法。
1 工程实例
1.1 工程概况
研究典型剖面紧邻一栋 1 层老旧建筑和一栋 6 层老旧建筑，建筑均为砖混结构浅基础，1层建筑宽度3 m距离基坑边线约2 m，6层建筑宽度15 m距离基坑边线约5 m。
1.2 工程地质情况
研究区地处昆明市中北部，是昆明地区典型的红黏土地区，红黏土下伏灰岩，根据地勘资料显示，场地典型剖面、岩土层性状如图1、表1所示。
②层含黏性土砾砂、②2层粉土、③层粉土为含水层孔隙连通性相对较好，透水性强，具微承压性，水头为0.9～3.6 m。
1.3 支护结构设计及开挖施工工况
该剖面开挖深度 15.4 m，采用 φ1200 mm C30 支护桩桩长 L=31 m@1.8 m，基坑安全等级一级，采用 5 道 6 束预应力锚索（图2）。开施工工况按每次锚索高度下0.5 m控制，详见表2。
1.4 深层水平位移监测点布置
设计在该剖面中间位置支护桩中预埋深层水平位移监测管，由于基坑深度较大，坑外侧建构筑物年代久远且为部队项目，监测单位在桩身内和桩身外侧 2 m 处均埋设了深层水平位移监测管（图3）。
图1典型剖面
表1土层性状
2 研究方法
2.1 技术路线
在实际项目基础上，通过实测与数值模拟对比分析，推测支护结构外侧深层水平位移。考虑到在实际勘察过程中，钻探取样、样品封装运输、样品试验对原状土样均存在较大扰动，很难通过室内试验获得原状土样的变形及抗剪指标，即使取得了试验参数指标，在进行数值模拟时，也会产生较大的失真。为确保数值模拟分析的准确性，通过采用首次数值模拟分析得到的支护结构及支护结构外侧2 m 的深层水平位移模拟值与现场获得支护结构及支护结构外侧2 m处实测的深层水平位移监测数据进行对比，不断修正土体变形及抗剪指标，直到模拟的变形值在趋势上与监测值比较接近时，确定土体的变形及抗剪指标，之后采用此指标模拟支护结构外侧土体内变形值，分析深层水平位移变化趋势与距离支护结构距离的关系（图4）。
图2支护剖面
表2开挖工况
2.2 基坑模型
采用有限元软件，按工程实际比例建立 40 m× 60 m 模型边界，对土层进行 1 m×1 m 网格划分（图5）。
2.3 基本假定
（1）假设支护桩后土层均匀，厚度与典型钻孔土层厚度一致。
（2）土体本构模型采用 MMC 模型（周振鸿等， 2021），桩和锚索本构模型采用线弹性模型，本构参数如表3所示。
2.4 数值分析结果
在建模之后，按设计要求模拟开挖工况，再次开挖深度按锚索高度降 0.5 m 控制，直到开挖至基坑底。土体深层水平位移变形模拟结果总体为：沿垂直支护结构方向变形较大区域在支护结构到外侧10 m的范围，沿开挖深度方向变形较大区域在开挖深度范围，模拟分析位移分布云图（图6）。
图3深层水平位移监测点布置平面图（a）和剖面图（b）
图4技术路线
3 数据分析
3.1 桩身（外侧2 m）位置在工况6时深层水平位移数值模拟值与实测值对比分析
由于在桩身内和桩身外侧2 m位置均埋设了深层水平位移监测管（熊飞，2021；余忠祥，2023），采用桩身及桩身外侧2 m深层水平位移实测值与有限元模拟分析得到的实测值进行比较，可以看出在桩身位置处深层水平位移的实测值与数值模拟值在趋势上和数值上都较为接近，数值模拟值比实测值略大，分析原因是测斜管材质一般为 PVC 管，桩身为混凝土，PVC管在强度、刚度、模量上远小于混凝土，PVC 管整体随桩变形，变形趋势也基本能反映桩的真实变形（图7）。
在桩身外侧2 m处深层水平位移的实测值与数值模拟值在趋势上和数值上都有一定差异，数值模拟值比实测值略大，分析原因是随着开挖进行桩体向基坑内侧变形，桩后土体由于桩体的变形也开始发生位移，PVC 管及管与孔周围回填的填料与与周围为土层在强度、刚度、模量上相差不算大，土体本身消耗了一部分变形，PVC 管自身抵抗了一部分变形造成了在趋势上的差异，也基本能反映桩身外侧的真实变形（图8）。综上，本文 MMC模型及本构参数基本合理。
3.2 同一监测位置在不同工况下深层水平位移数值模拟及分析
在合理的本构模型及本构参数的基础上，采用有限元软件分别对不同工况下桩身、桩身外侧2 m、 6 m、10 m 处深层水平位移进行模拟，从图9可以看出在不同位置处深层水平位移均是在工况 1 时最小，随着施工工况延续，基坑内部土体开挖卸荷，深层水平位移均向基坑内侧变形，且后一工况的深层水平位移均在上一工况基础上增大，这与理论设计得到的位移变形趋势及实际正常变形相吻合，总体可以看出距离支护桩越远，变形越小的趋势。后一工况的深层水平位移均在上一工况基础上增大，这与理论设计得到的位移变形趋势及实际正常变形相吻合，总体可以看出距离支护桩越远，变形越小的趋势。综上，也同样可以佐证本文MMC模型及本构参数基本合理。
图5网格划分
图6土体水平位移云图
表3MMC模型本构参数
3.3 同一工况下桩身及外侧 2 m、6 m、10 m 处深层水平位移数值模拟及分析
在 3.1 和 3.2 分析基础上，往下研究在同一工况时，桩身、桩身以外 2 m、6 m、10 m 处深层水平位移在不同工况时的关系。通过图10中工况 1~工况 6不难看出在各个工况中均是桩身处深层水平位移最大，桩身处的深层水平位移形成的变形曲线基本能将桩身以外 2 m、6 m、10 m 处的深层水平位移曲线包络，且离桩身越远深层水平位移逐渐变小的。
图7桩身深层水平位移
图8桩外侧2 m深层水平位移
4 研究结果
4.1 报警延迟区域与基坑安全
通过以上对比分析可以得出，设置在不同位置的深层水平位移监测点在不同工况变形值是存在差异的。在同一工况下，设置在桩身的深层水平位移最大，距桩身越远深层水平位移逐渐减小。在 《建筑基坑工程监测技术标准》深层水平位置监测点位置即可以设置在桩身上，又可以设置在桩外侧土体内，但无论设置在何处，深层水平位移的报警值未有不同，这就存在一个问题，在相同工况下，假如深层水平位移监测点设置位置不同将会出现不同报警现象。采用以上例子说明，按规范一级基坑深层水平位移报警值30~50 mm，取报警值为中间值 40 mm，假如深层水平位移监测点设置在桩身处，那么在工况 6 已接近报警值，但是工况 6 在桩身外侧的深层水平位移却距离报警值还有一定差距，从图11可以看出桩身深层水平位移曲线与桩身外侧 2 m、6 m、10 m 处变形曲线之间的填充区域可以看作是延迟报警的延迟区域，该区域面积随着现场深层水平位移监测点距离桩身距离增大面积增大，该区域的面积越大，延迟报警越多，对基坑越不安全，这也说明，距离桩身越远的深层水平位移监测孔深层水平位移数据较桩身处越小，按设置的报警值，桩身处深层水平位移可能已报警，而桩身外侧深层水平位移却未报警，因此给整个基坑安全带来隐患。
4.2 合理报警值的确定
K1 为根据桩后主动土压力、嵌固段被动土压力、锚索张拉力合力、力矩计算的抗倾覆安全系数， K2 为根据深层水平位移报警值 40 mm 与每个工况下深层水平位移峰值之比得到的安全系数。
从图12可以看出，在工况 1时桩身位置的深层水平位移峰值为 12.62 mm，在工况 2时桩身位置的深层水平位移峰值为 14.21 mm，在工况 3时桩身位置的深层水平位移峰值为 14.48 mm，在工况 4时桩身位置的深层水平位移峰值为 22.68 mm，在工况 5 时桩身位置的深层水平位移峰值为29.15 mm，在工况 6时桩身位置的深层水平位移峰值为 34. 09 mm， 1~6工况下深层水平位移的峰值逐渐靠近设置的报警值 40 mm，由表4得出安全系数 K2 从 3.566 逐渐降低至 1.320，从整体来看安全系数 K1 与 K2 的误差δ除工况2在23.49%以外，其余工况安全系数K1 与 K2 的误差 δ 均控制在 9% 以下，也就说明 40 mm 的报警值是设置相对比较合适的，另外按此经验采用安全系数 K1，在 K1 与 K2 的误差 δ 在±10% 范围，可以反向推导计算K2和深层水平位移的报警值，这样深层水平位移报警值可进一步在规范规定范围进行修正，使得支护结构受力、安全系数、报警预测相互协调统一。
图9不同位置深层水平位移
图10不同工况深层水平位移
图11报警延迟区域
图12各工况桩身处深层水平位移峰值
表4安全系数对比
5 结论
（1）深层水平位移监测值随监测点距开挖面越远其值越小
（2）在设置同一报警值的情况下，深层水平位移监测点布置距离支护结构越远报警延时越多，安全性越差，风险越大。
（3）深层水平位移的报警值建议根据K1反向推导计算 K2，并进一步计算深层水平位位移的报警值。
（4）本文以上研究结论可对中硬土层场地基坑支护深层水平位移监测及安全度研究提供参考。
