深基坑開挖對臨近建筑物地下室變形影響的MIDAS/GTS數值分析

丁亞中，張晶晶

(安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥，230601)

0 引言

有限元數值分析可以反映土壤中復雜的應力和應變以及土層之間相互作用的關系，因此在深基坑開挖前，運用有限元數值分析方法可以有效模擬土體之間的受力和變形。由于有限元數值模擬可以有效的模擬基坑施工的全過程，并且可以預測實際施工中土體之間位移和受力數據，故可以對降低基坑開挖中事故的發生提供必要的數據支持。目前常用的有限元軟件有MⅠDAS/GTS、ABAQUS、PLAXⅠS、ANSYS 等，通過運用 MⅠDAS/GTS 軟件建立本構模型，如Modify Mohr-Coulomb模型(修正莫爾-庫倫模型)來分析土體剪切和基坑開挖中土體變形等問題。洪昇［1］在通過對比有限元計算和現場監測結果發現采用修正莫爾-庫倫模型的有限元計算方法對深基坑的圍護結構變形以及周圍土體應力場進行模擬和分析是合理的。李明瑛等［2］在運用MⅠDAS/GTS有限元軟件對深基坑支護進行數值模擬分析，在對比了支護結構實測值與變形值之后，分析了基坑中土體的豎向最大沉降量、樁身最大水平位移、以及錨桿的軸力分布，為基坑變形和監測提供依據。此外，曹力橋［3］通過有限元軟件對深基坑開挖基底分析認為基坑底部隆起的位移隨著開挖深度增大而增大，并且基坑中部的位移值在不考慮降水時最大，對于基坑土體隆起，需要加強監測。

基坑開挖時，臨近建筑物變形的程度隨著基坑開挖深度的不同而不同。帥紅巖［4］等通過數值模擬分析認為在隨著基坑開挖深度的不斷增加時，基坑整體的位移也不斷增大。張向東等［5］認為基坑在開挖深度不斷增加，由于周圍建筑物作用力，是基坑底部土體和邊坡土體聯結，容易滑動，導致基坑變形，容易造成周圍建筑物出現沉降、開裂變形。丁克偉等［6］認為基坑開挖會使應力重分布，隨著基坑開挖深度的不斷增大，基坑的水平位移也不斷增大，并且最大的水平位移位置也會隨開挖深度變化而變化。本文主要研究在基坑開挖深度增加時，對臨近建筑物地下室變形的影響。

1 工程概況

該項目位于長沙市開福區，項目基坑周圍建筑物有:左邊為1幢商場，下設2層地下室(面積5486 m2，埋深 9.3 m，底板標高為 0.60 m)；右邊 1幢寫字樓組成，亦設有2層地下室(面積14780 m2，埋深9.3 m，底板標高為0.60 m)。整個項目開挖的基坑為:基坑面積大小約為 4384 m2，基坑長70.13 m，寬 62.51 m，整個基坑開挖深度約為9.4 m。工程概況如圖1。在中間基坑開挖之前先開挖兩側地下室，考慮到經濟性，中間基坑東西兩側維護結構采用原地下室地連墻。在基坑北邊采用的鉆孔灌注樁圍護支撐；南邊采用錨桿加鋼筋網片噴錨支護，并采用放坡開挖。中間基坑分二次開挖，每次開挖約4.7 m。本文僅僅考慮中間基坑開挖對兩側地下室影響，故兩側上部結構對地下室的影響以集中應力表示。

2 工程地質條件

根據現場勘察報告可知，該項目場地巖土層主要由雜填土、淤泥質黏土、殘積黏土、全風化花崗巖、砂土狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖和中風化花崗巖組成。根據本次勘探成果，結合室內土工試驗成果報告，各層巖土計算指標如表1所示。

表1 各層巖土計算指標統計表

3 有限元計算模型

3.1 模型的建立

3.1.1 模型建立所需要的基本條件

為了讓模型與現場的實際條件更相符合，需要具備一些如下的基本條件:

(1)建立模型時候，應當考慮周圍土體的應力應變對基坑的干擾。

(2)基坑土體破壞準則條件采用修正莫爾-庫倫準則。

(3)采用板單元來模擬地下室和連續墻；樁和柱在劃分網格時，采用節點耦合的方式。

(4)運用混合網格單元(以六面體為主，五面體和四面體為過渡的混合網格單元)來劃分基坑實體。

(5)模型中重力的方向采用豎直向下的Z軸。

3.1.2 定義材料屬性

Y.H.Ong［7］研究發現修正莫爾-庫倫模型模擬土壤研究，適用于各類型地基，尤其是一些具有摩擦特性的材料，例如沙土或者混凝土。本文的修正莫爾-庫倫模型參數如表2所示。

圖1 工程概況圖

3.1.3 幾何模型的建立與網格的劃分

本三維基坑支護模型中的各個參數來源于地基勘察單位和設計單位提供的數據資料。參照實際工程中基坑的大小，在建立幾何模型時，由于考慮周圍建筑物，為了優化幾何模型，對模型的邊界尺寸進行了適當的放大。本模型尺寸取得是180 m×180 m×55 m(長×寬×厚)，其中厚度是根據建筑物樁基長度來定的。

本模型是通過二維的線和面擴展得到三維的基坑模型、地下室模型和整體模型，基坑模型厚度根據建筑物樁基礎的長度來決定?；幽Ｐ?、地下室模型和整體模型分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 基坑模型

圖3 地下室模型

圖4 整體模型

表2 修正莫爾-庫倫模型參數

對已經建好的整體模型進行三維網格的劃分，并輸入劃分網格中各土體的屬性參數。本模型中地下室、地下室板和地下室連續墻網格是通過板單元析取來實現。整體三維網格的模型如圖5所示。

圖5 三維的整體網格模型

3.2 施工過程及各個施工工況分析

基坑計算模型約束采用邊界約束，基坑邊界條件設置為靜力荷載邊界條件。

3.2.1 施工過程如下：

第一步:初始應力場平衡:“激活”所有土體單元，在靜力荷載下施加自重荷載，邊界條件選擇位移邊界，為了保證后面得到的位移場是由后續施工、開挖、加載所得到的位移，需要勾選“位移清零”選項。

第二步:兩側商場、寫字樓地下室施工:“激活”地下室、地下室-柱、地下室-樁單元，“鈍化”商場-1、商場-2、寫字樓-1、寫字樓-2單元。靜力荷載選擇自重荷載。

第三步:連續墻施工:“激活”連續墻單元。

第四步:第一次開挖施工:“激活”錨桿-1單元，“鈍化”開挖-1單元。

第五步:第二次開挖施工:“激活”錨桿-2單元，“鈍化”開挖-2單元。

注:1)商場-1表示第一次開挖商場地下室。

2)商場-2表示第二次開挖商場地下室。

3)寫字樓-1表示第一次開挖寫字樓地下室。

4)寫字樓-2表示第二次開挖寫字樓地下室。

5)錨桿-1表示第一次打錨桿。

6)開挖-1表示第一次開挖中間基坑。

7)錨桿-2表示第二次打錨桿。

8)開挖-2表示第二次開挖中間基坑。

3.2.2 施工開挖水平位移模擬分析

由圖6、圖7、圖8、圖9可以看出在開挖地下室，基坑和施做連續墻過程中水平位移的變化情況:

(1)由圖6知地下室開挖最大水平位移為9.10 mm，圖7知連續墻施工最大水平位移為9.33 mm。圖8知基坑第一次開挖最大水平位移為9.42 mm，圖9知基坑第二次開挖最大水平位移為9.58 mm。

(2)隨著基坑開挖深度不斷變大，土體水平位移也隨之變大，地下室和連續墻水平位移也隨之發生變化，但總體水平方向的位移變化不是很大。

圖6 地下室開挖水平方向位移云圖

圖7 連續墻施工水平方向位移云圖

圖8 基坑第一次開挖水平方向位移云圖

圖9 基坑第二次開挖水平方向位移云圖

3.2.3 施工開挖縱向位移模擬分析

由圖10、圖11、圖12、圖13可以看出在開挖地下室，基坑和施做連續墻過程中縱向位移的變化情況:

圖10 地下室開挖縱向位移云圖

圖11 連續墻施工縱向位移云圖

圖12 基坑第一次開挖縱向位移云圖

圖13 基坑第二次開挖縱向位移云圖

(1)由圖10知地下室開挖最大縱向位移為45.24 mm，圖 11知連續墻施工最大縱向位移48.43 mm。圖12知基坑第一次開挖最大縱向位移為50.35 mm，圖13知第二次開挖最大縱向位移為62.48 mm。

(2)在基坑開挖深度逐漸變大，基坑在第一次開挖和第二次開挖后，縱向位移發生的較大變化，坑底部分區域出現了隆起現象?？拥字胁渴强拥茁∑鹆孔畲蟮奈恢?。隨著基坑不斷開挖，越接近坑底的地方，基坑及地下室沉降量越大。

3.2.4 施工開挖豎向位移模擬分析

由圖14、圖15、圖16、圖17可以看出在開挖地下室，基坑和施做連續墻過程中豎向位移的變化情況:

圖14 地下室開挖豎向位移云圖

圖15 連續墻施工豎向位移云圖

(1)由圖14知地下室開挖最大沉降量為2.75 mm，圖15知連續墻施工最大沉降量為2.79 mm。圖16知基坑第一次開挖最大沉降量為2.85 mm，圖17知第二次開挖最大沉降量為4.78 mm。

(2)經三維模擬數據發現，隨著基坑開挖深度的增加，地下室及連續墻側壁土體沉降量也在增加，這表明地表沉降量受到基坑不斷開挖的影響，而且地表沉降量隨基坑開挖深度而增大。

圖16 基坑第一次開挖豎向位移云圖

圖17 基坑第二次開挖豎向位移云圖

4 結論

文章結合實際工程資料，運用MⅠDAS/GTS有限元軟件對長沙某項目深基坑開挖工程建立三維模型并進行數值分析，目的是為了研究深基坑開挖對周圍已有建筑物地下室變形影響。本文總結得出以下兩點結論:

(1)通過對比監測數據與有限元模擬所獲得的數據來看，采用Modify Mohr-Coulomb(修正莫爾-庫倫)的本構模型的有限元計算方法對深基坑開挖模擬基坑變形及基坑周邊臨近建筑物地下室變形控制是有效的。

(2)隨著基坑開挖深度不斷增大，基坑周圍土體位移逐漸增大，為了保護周圍已有建筑物地下室，在開挖后不被破壞，需要土體位移變化較大的位置布置好監測點，記錄好監測信息，確保已有建筑物地下室的安全。