深基坑開(kāi)挖對(duì)臨近建筑物地下室變形影響的MIDAS/GTS數(shù)值分析

丁亞中，張晶晶

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥，230601)

0 引言

有限元數(shù)值分析可以反映土壤中復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變以及土層之間相互作用的關(guān)系，因此在深基坑開(kāi)挖前，運(yùn)用有限元數(shù)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(shù)值模擬可以有效的模擬基坑施工的全過(guò)程，并且可以預(yù)測(cè)實(shí)際施工中土體之間位移和受力數(shù)據(jù)，故可以對(duì)降低基坑開(kāi)挖中事故的發(fā)生提供必要的數(shù)據(jù)支持。目前常用的有限元軟件有MⅠDAS/GTS、ABAQUS、PLAXⅠS、ANSYS 等，通過(guò)運(yùn)用 MⅠDAS/GTS 軟件建立本構(gòu)模型，如Modify Mohr-Coulomb模型(修正莫爾-庫(kù)倫模型)來(lái)分析土體剪切和基坑開(kāi)挖中土體變形等問(wèn)題。洪昇［1］在通過(guò)對(duì)比有限元計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用修正莫爾-庫(kù)倫模型的有限元計(jì)算方法對(duì)深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及周?chē)馏w應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析是合理的。李明瑛等［2］在運(yùn)用MⅠDAS/GTS有限元軟件對(duì)深基坑支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在對(duì)比了支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)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(jiān)測(cè)提供依據(jù)。此外，曹力橋［3］通過(guò)有限元軟件對(duì)深基坑開(kāi)挖基底分析認(rèn)為基坑底部隆起的位移隨著開(kāi)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(shí)最大，對(duì)于基坑土體隆起，需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

基坑開(kāi)挖時(shí)，臨近建筑物變形的程度隨著基坑開(kāi)挖深度的不同而不同。帥紅巖［4］等通過(guò)數(shù)值模擬分析認(rèn)為在隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷增加時(shí)，基坑整體的位移也不斷增大。張向東等［5］認(rèn)為基坑在開(kāi)挖深度不斷增加，由于周?chē)ㄖ镒饔昧Γ腔拥撞客馏w和邊坡土體聯(lián)結(jié)，容易滑動(dòng)，導(dǎo)致基坑變形，容易造成周?chē)ㄖ锍霈F(xiàn)沉降、開(kāi)裂變形。丁克偉等［6］認(rèn)為基坑開(kāi)挖會(huì)使應(yīng)力重分布，隨著基坑開(kāi)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(huì)隨開(kāi)挖深度變化而變化。本文主要研究在基坑開(kāi)挖深度增加時(shí)，對(duì)臨近建筑物地下室變形的影響。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于長(zhǎng)沙市開(kāi)福區(qū)，項(xiàng)目基坑周?chē)ㄖ镉?左邊為1幢商場(chǎng)，下設(shè)2層地下室(面積5486 m2，埋深 9.3 m，底板標(biāo)高為 0.60 m)；右邊 1幢寫(xiě)字樓組成，亦設(shè)有2層地下室(面積14780 m2，埋深9.3 m，底板標(biāo)高為0.60 m)。整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)挖的基坑為:基坑面積大小約為 4384 m2，基坑長(zhǎng)70.13 m，寬 62.51 m，整個(gè)基坑開(kāi)挖深度約為9.4 m。工程概況如圖1。在中間基坑開(kāi)挖之前先開(kāi)挖兩側(cè)地下室，考慮到經(jīng)濟(jì)性，中間基坑?xùn)|西兩側(cè)維護(hù)結(jié)構(gòu)采用原地下室地連墻。在基坑北邊采用的鉆孔灌注樁圍護(hù)支撐；南邊采用錨桿加鋼筋網(wǎng)片噴錨支護(hù)，并采用放坡開(kāi)挖。中間基坑分二次開(kāi)挖，每次開(kāi)挖約4.7 m。本文僅僅考慮中間基坑開(kāi)挖對(duì)兩側(cè)地下室影響，故兩側(cè)上部結(jié)構(gòu)對(duì)地下室的影響以集中應(yīng)力表示。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告可知，該項(xiàng)目場(chǎng)地巖土層主要由雜填土、淤泥質(zhì)黏土、殘積黏土、全風(fēng)化花崗巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖組成。根據(jù)本次勘探成果，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)成果報(bào)告，各層巖土計(jì)算指標(biāo)如表1所示。

表1 各層巖土計(jì)算指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3 有限元計(jì)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(xiàn)場(chǎng)的實(shí)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(shí)候，應(yīng)當(dāng)考慮周?chē)馏w的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)基坑的干擾。

(2)基坑土體破壞準(zhǔn)則條件采用修正莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

(3)采用板單元來(lái)模擬地下室和連續(xù)墻；樁和柱在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式。

(4)運(yùn)用混合網(wǎng)格單元(以六面體為主，五面體和四面體為過(guò)渡的混合網(wǎng)格單元)來(lái)劃分基坑實(shí)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(fā)現(xiàn)修正莫爾-庫(kù)倫模型模擬土壤研究，適用于各類(lèi)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(kù)倫模型參數(shù)如表2所示。

圖1 工程概況圖

3.1.3 幾何模型的建立與網(wǎng)格的劃分

本三維基坑支護(hù)模型中的各個(gè)參數(shù)來(lái)源于地基勘察單位和設(shè)計(jì)單位提供的數(shù)據(jù)資料。參照實(shí)際工程中基坑的大小，在建立幾何模型時(shí)，由于考慮周?chē)ㄖ?，為了?yōu)化幾何模型，對(duì)模型的邊界尺寸進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆糯?。本模型尺寸取得?80 m×180 m×55 m(長(zhǎng)×寬×厚)，其中厚度是根據(jù)建筑物樁基長(zhǎng)度來(lái)定的。

本模型是通過(guò)二維的線(xiàn)和面擴(kuò)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(jù)建筑物樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)度來(lái)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(kù)倫模型參數(shù)

對(duì)已經(jīng)建好的整體模型進(jìn)行三維網(wǎng)格的劃分，并輸入劃分網(wǎng)格中各土體的屬性參數(shù)。本模型中地下室、地下室板和地下室連續(xù)墻網(wǎng)格是通過(guò)板單元析取來(lái)實(shí)現(xiàn)。整體三維網(wǎng)格的模型如圖5所示。

圖5 三維的整體網(wǎng)格模型

3.2 施工過(guò)程及各個(gè)施工工況分析

基坑計(jì)算模型約束采用邊界約束，基坑邊界條件設(shè)置為靜力荷載邊界條件。

3.2.1 施工過(guò)程如下：

第一步:初始應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)是由后續(xù)施工、開(kāi)挖、加載所得到的位移，需要勾選“位移清零”選項(xiàng)。

第二步:兩側(cè)商場(chǎng)、寫(xiě)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(chǎng)-1、商場(chǎng)-2、寫(xiě)字樓-1、寫(xiě)字樓-2單元。靜力荷載選擇自重荷載。

第三步:連續(xù)墻施工:“激活”連續(xù)墻單元。

第四步:第一次開(kāi)挖施工:“激活”錨桿-1單元，“鈍化”開(kāi)挖-1單元。

第五步:第二次開(kāi)挖施工:“激活”錨桿-2單元，“鈍化”開(kāi)挖-2單元。

注:1)商場(chǎng)-1表示第一次開(kāi)挖商場(chǎng)地下室。

2)商場(chǎng)-2表示第二次開(kāi)挖商場(chǎng)地下室。

3)寫(xiě)字樓-1表示第一次開(kāi)挖寫(xiě)字樓地下室。

4)寫(xiě)字樓-2表示第二次開(kāi)挖寫(xiě)字樓地下室。

5)錨桿-1表示第一次打錨桿。

6)開(kāi)挖-1表示第一次開(kāi)挖中間基坑。

7)錨桿-2表示第二次打錨桿。

8)開(kāi)挖-2表示第二次開(kāi)挖中間基坑。

3.2.2 施工開(kāi)挖水平位移模擬分析

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

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

(2)隨著基坑開(kāi)挖深度不斷變大，土體水平位移也隨之變大，地下室和連續(xù)墻水平位移也隨之發(fā)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(kāi)挖水平方向位移云圖

圖7 連續(xù)墻施工水平方向位移云圖

圖8 基坑第一次開(kāi)挖水平方向位移云圖

圖9 基坑第二次開(kāi)挖水平方向位移云圖

3.2.3 施工開(kāi)挖縱向位移模擬分析

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

圖10 地下室開(kāi)挖縱向位移云圖

圖11 連續(xù)墻施工縱向位移云圖

圖12 基坑第一次開(kāi)挖縱向位移云圖

圖13 基坑第二次開(kāi)挖縱向位移云圖

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

(2)在基坑開(kāi)挖深度逐漸變大，基坑在第一次開(kāi)挖和第二次開(kāi)挖后，縱向位移發(fā)生的較大變化，坑底部分區(qū)域出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象?？拥字胁渴强拥茁∑鹆孔畲蟮奈恢?。隨著基坑不斷開(kāi)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(kāi)挖豎向位移模擬分析

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

圖14 地下室開(kāi)挖豎向位移云圖

圖15 連續(xù)墻施工豎向位移云圖

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

(2)經(jīng)三維模擬數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，地下室及連續(xù)墻側(cè)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(kāi)挖的影響，而且地表沉降量隨基坑開(kāi)挖深度而增大。

圖16 基坑第一次開(kāi)挖豎向位移云圖

圖17 基坑第二次開(kāi)挖豎向位移云圖

4 結(jié)論

文章結(jié)合實(shí)際工程資料，運(yùn)用MⅠDAS/GTS有限元軟件對(duì)長(zhǎng)沙某項(xiàng)目深基坑開(kāi)挖工程建立三維模型并進(jìn)行數(shù)值分析，目的是為了研究深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)延薪ㄖ锏叵率易冃斡绊?。本文總結(jié)得出以下兩點(diǎn)結(jié)論:

(1)通過(guò)對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元模擬所獲得的數(shù)據(jù)來(lái)看，采用Modify Mohr-Coulomb(修正莫爾-庫(kù)倫)的本構(gòu)模型的有限元計(jì)算方法對(duì)深基坑開(kāi)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(kāi)挖深度不斷增大，基坑周?chē)馏w位移逐漸增大，為了保護(hù)周?chē)延薪ㄖ锏叵率遥陂_(kāi)挖后不被破壞，需要土體位移變化較大的位置布置好監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄好監(jiān)測(cè)信息，確保已有建筑物地下室的安全。