基于MIDAS的基坑施工對周邊建筑影響分析

黃林江，張瀚宇，曹獻(xiàn)華

(1.深圳招商房地產(chǎn)有限公司，廣東 深圳 518067; 2.金地集團(tuán)武漢房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，湖北 武漢 430000)

1 概述

南山智谷大廈項(xiàng)目位于深圳市南山區(qū)沙河西路與文光路西南側(cè)，為區(qū)政府重點(diǎn)投資項(xiàng)目。項(xiàng)目建筑面積約208 875.37 m2，共包含三層地下室，基坑最深深度距離現(xiàn)狀地表約14 m～15 m。項(xiàng)目施工場地西側(cè)與北側(cè)分布著數(shù)十棟房屋，如圖1所示。房屋建設(shè)年限較早，建筑較為老化，且離基坑邊緣較近，與本項(xiàng)目支護(hù)結(jié)構(gòu)最近距離約4.1 m，該基坑的安全等級為一級，項(xiàng)目施工具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性。

本項(xiàng)目為深基坑施工，施工過程中可能會(huì)導(dǎo)致周圍一定區(qū)域土體應(yīng)力場及位移場的改變，使土體發(fā)生側(cè)移或沉降，周邊房屋受周邊土體位移作用的影響，會(huì)產(chǎn)生一定變形。參照GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[1]，建筑物地基變形允許值如表1所示。建筑物變形超過規(guī)范允許值，會(huì)對房屋造成嚴(yán)重的安全質(zhì)量隱患，因此施工過程存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)性。施工前利用計(jì)算工具對基坑開挖不同階段的周邊建筑物變形情況做相應(yīng)仿真分析，有利于提前掌握施工過程中不利情況，并針對性采取安全防范措施，有利于規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)，極大程度上確保項(xiàng)目施工安全。

表1 建筑物地基變形允許值

MIDAS軟件是土木工程等領(lǐng)域常用的數(shù)值分析(有限元)軟件，功能強(qiáng)大且操作簡單，被廣泛運(yùn)用于巖土力學(xué)仿真計(jì)算。本文擬采用技術(shù)路線如下：以工程勘察報(bào)告、基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案、周邊建筑現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告等資料為基礎(chǔ)，采用MIDAS對地基基礎(chǔ)工程施工全過程進(jìn)行空間三維數(shù)值模擬分析，計(jì)算項(xiàng)目施工對周邊房屋結(jié)構(gòu)變形的影響，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果提前分析出施工過程中的不利情況，并提出相關(guān)建議，用于指導(dǎo)實(shí)際施工。

2 有限元計(jì)算原理介紹

2.1 軟件對施工過程的模擬方法

使用MIDAS程序時(shí)，定義在任意階段添加(或稱激活)的單元不受前階段作用的應(yīng)力或荷載影響。荷載釋放系數(shù)為100%的單元被稱鈍化后，此類單元內(nèi)部應(yīng)力將全部分配給余下的其他單元，從而導(dǎo)致剩余單元的應(yīng)力發(fā)生變化。與此相反，荷載釋放系數(shù)接近為0%的單元被刪除時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力將不分配給剩余單元[2]。適當(dāng)調(diào)整荷載釋放系數(shù)，可以對分配給剩余單元的應(yīng)力進(jìn)行有限調(diào)整，從而可以比較真實(shí)地模擬實(shí)際施工過程。

2.2 本構(gòu)模型

2.2.1 巖土材料本構(gòu)模型

基坑施工過程中，產(chǎn)生的附加應(yīng)力可能超過巖土材料比例極限(線彈性)，從而使材料達(dá)到塑性狀態(tài)。所以本文對巖土材料采用MIDAS提供的Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型[3]。

Mohr-Coulomb屈服條件在三維應(yīng)力空間的表達(dá)式為:

其中，θσ為洛德角；c為巖土黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；I1為應(yīng)力張量第一不變量；J2為應(yīng)力偏量第二不變量。

2.2.2 結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱在基坑開挖以及項(xiàng)目土方回填過程中變形較小，故材料一般不會(huì)達(dá)到屈服狀態(tài)，本項(xiàng)目計(jì)算中均采用線彈性材料進(jìn)行模擬。

2.2.3 收斂標(biāo)準(zhǔn)

軟件中共有三種收斂標(biāo)準(zhǔn)，分別為：位移、不平衡力以及不平衡能量收斂標(biāo)準(zhǔn)。三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均使用歐幾里得范數(shù)(enclidean norm)表示，按下列公式計(jì)算：

其中，‖d‖為向量d的范數(shù)；di為向量d的第i個(gè)成分；n為向量中成分?jǐn)?shù)量。

位移收斂標(biāo)準(zhǔn)是到第i次迭代計(jì)算中的位移增量范數(shù)與第i次迭代計(jì)算前的位移增量范數(shù)的比值作為收斂標(biāo)準(zhǔn)。不平衡力收斂標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前階段迭代計(jì)算的不平衡力范數(shù)與當(dāng)前階段使用的外力范數(shù)的比值作為收斂標(biāo)準(zhǔn)。

3 工程案例應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

南山智谷大廈項(xiàng)目基坑支護(hù)采用“旋噴樁+咬合樁+兩道內(nèi)支撐”形式。咬合樁葷樁(配筋樁)、素混凝土樁的樁徑均為1.2 m，配筋樁與素混凝土樁咬合0.3 m。基坑共有兩道鋼筋混凝土支撐(樁頂冠梁+一道腰梁)。咬合樁樁身混凝土等級采用C30，冠梁混凝土和腰梁混凝土采用C35。考慮到周邊建筑安全性，旋噴樁最外部又增加了兩排袖閥管注漿。基坑開挖深度約14 m～15 m，采用“分層分段”的開挖方式。

基坑1.5倍深度范圍內(nèi)分布16棟老建筑，因建筑年限較久，原施工圖紙全部丟失，無法確定建筑物的基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)形式。為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，委托專業(yè)的房屋調(diào)查機(jī)構(gòu)，對16棟建筑的結(jié)構(gòu)形式及基礎(chǔ)形式進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查(通過基礎(chǔ)開挖等形式進(jìn)行調(diào)查)。建筑結(jié)構(gòu)形式主要為框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)，建筑基礎(chǔ)主要為獨(dú)立基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)[4]。

3.2 主要參數(shù)和計(jì)算條件設(shè)定

混凝土和巖土材料主要計(jì)算性能參數(shù)詳見表2,表3。

表2 彈性材料參數(shù)表

表3 巖土材料參數(shù)表

模型的長寬高分別為333 m，268 m及39 m。模型邊界條件設(shè)定采用邁達(dá)斯GTS軟件提供的“地面支承”命令，其中模型上表面為自由邊界，下表面Z方向位移固定，左右邊界為X方向位移固定，前后邊界為Y方向位移固定。劃分單元格后，計(jì)算模型如圖2所示。

3.3 工況設(shè)定

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際施工方案，選取10種工況進(jìn)行仿真分析計(jì)算，如表4所示。

表4 仿真工況計(jì)算表

3.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用MIDAS建立三維有限元模型，對10種工況進(jìn)行三維仿真數(shù)值計(jì)算，生成建筑結(jié)構(gòu)變形和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形云圖進(jìn)行分析，最不利工況如圖3所示。

經(jīng)過仿真計(jì)算隨著基坑施工的進(jìn)行，周邊建筑物的沉降變形逐漸增大，最不利工況為拆除第一道支撐梁(工況10)，該工況下建筑物傾斜變化量最大，變化量如表5所示。根據(jù)模擬結(jié)果，在基坑施工期間，所有建筑物(基坑深度1.5倍范圍內(nèi))傾斜變化量均在規(guī)范值允許范圍內(nèi)，基坑施工過程中周邊建筑是安全的。

表5 各樓棟建筑物(框架和砌體結(jié)構(gòu))

4 結(jié)論及建議

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，珠光苑A，C，D，E，F(xiàn)棟為傾斜量變化最大的建筑，應(yīng)加大這幾棟建筑監(jiān)測點(diǎn)的布置數(shù)量。另外，在基坑施工過程中，應(yīng)加密對該幾棟建筑的監(jiān)測頻率，提前編制相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常及時(shí)反饋處理，確保基坑施工安全。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，基坑施工最不利工況為拆除第一道支撐梁期間，后期施工應(yīng)采取有效措施減小拆撐時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形；拆換撐前需編制詳細(xì)的拆撐換撐方案，換撐方案應(yīng)經(jīng)過專家論證，并進(jìn)行相應(yīng)的審批。

保證支護(hù)樁施工質(zhì)量：旋挖機(jī)鉆進(jìn)過程做好咬合樁垂直度控制，防止咬合分叉，分層開挖土方過程中，若發(fā)現(xiàn)個(gè)別樁有偏差應(yīng)引起注意，越往坑底偏差會(huì)越大，應(yīng)及早處理。

支護(hù)樁施工期間采取適當(dāng)措施減少入巖時(shí)的機(jī)械振動(dòng)，盡量減少振動(dòng)導(dǎo)致的周圍土體擾動(dòng)；采取合理措施(施工過程中確保護(hù)壁泥漿濃度等)減少支護(hù)樁施工時(shí)可能發(fā)生的塌孔現(xiàn)象，減少周邊水土流失導(dǎo)致的建筑物不均勻沉降，盡量減少施工過程對周邊建筑的影響。

在施工時(shí)序上充分發(fā)揮施工的時(shí)間及空間效應(yīng)的有利作用：1)土方開挖遵循分層、分段、均衡、適時(shí)的原則。2)采用信息化施工，施工中做好實(shí)時(shí)監(jiān)測，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，建全信息施工制度，及時(shí)掌握每一次施工工況中的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的變形變化值確保安全。

后期實(shí)際施工過程中，及時(shí)采取實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，出現(xiàn)偏差及時(shí)分析偏差原因，保證施工安全[5]。