基于Midas的基坑變形與影響因素分析

陳穎輝 汪凡茗 歐明喜,2 王文舉

（1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500）

一、引言

隨著城市化進(jìn)程加快，基坑工程的發(fā)展有了規(guī)模大、開(kāi)挖深、支護(hù)形式多樣化等新特點(diǎn)，因此，在工程建設(shè)中存在的一些問(wèn)題也日益突出，基坑變形特性及對(duì)周?chē)h(huán)境的影響因素一直是工程建設(shè)中被重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文結(jié)合云南省昆明市雅府嘉苑項(xiàng)目，使用有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析軟件（MIDAS）實(shí)施模擬，分析基坑及坑后地表沉降變形規(guī)律，以便為類(lèi)似工程方案優(yōu)化提供參考借鑒。

二、工程概況

（一）工程簡(jiǎn)介

該工程位于云南省昆明市五華區(qū)茭菱路與春暉路交叉口的東南側(cè)，場(chǎng)地北側(cè)為茭菱路，東側(cè)為大理公館，南側(cè)為昆明學(xué)院西二院兩棟家屬樓，西側(cè)為春暉路，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，交通十分便利。擬建設(shè)項(xiàng)目用地面積達(dá)7648.08m2，規(guī)劃有2棟26（30）層主樓和四層裙房，總建筑面積51577.4m2，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，管樁基礎(chǔ)。項(xiàng)目設(shè)置兩層地下室，基坑開(kāi)挖深度為10.7m～11.2m，基坑周長(zhǎng)為332m，基坑整體約為長(zhǎng)方形，邊角處不規(guī)則。

（二）工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地較為平整開(kāi)闊，處于昆明斷陷盆地的西部，屬?zèng)_湖積盆地地貌?？碧娇卓诟叱淘?889.89m～1890.13m之間，最大高差為0.24m。根據(jù)地勘報(bào)告，填土、黏土、粉土、粉質(zhì)黏土層為影響基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的主要土層，地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面

（三）水文地質(zhì)條件

地下水類(lèi)型主要為上層滯水及孔隙型潛水兩類(lèi)，前者主要賦存于雜填土中，動(dòng)態(tài)變化較大，主要受季節(jié)、降水影響，賦水性弱；后者主要賦存于各粉土層中，賦水性較好，受大氣降水、地表水的入滲補(bǔ)給和控制。

（四）原基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

基坑采用“混凝土灌注樁+二道鋼筋混凝土支撐體系”支護(hù)，開(kāi)挖深度為11.2m?；娱_(kāi)挖深度超過(guò)10m，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB50202-2002)可知，該基坑安全等級(jí)為一級(jí)。地面冠梁層設(shè)置第一道內(nèi)支撐，第二道距離第一道內(nèi)支撐為4.8m。支護(hù)樁根據(jù)周邊環(huán)境差異，分別采用直徑為800mm和1000mm兩種規(guī)格的灌注樁，嵌固深度為6.8m，樁間距為1.4m。基坑北側(cè)和西側(cè)為道路，支護(hù)樁采用直徑800mm的長(zhǎng)螺旋灌注樁，基坑南側(cè)和東側(cè)緊鄰小區(qū)建筑，為該基坑的支護(hù)重點(diǎn)，支護(hù)樁采用1000mm直徑的旋挖灌注樁。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

三、原方案數(shù)值模擬結(jié)果

該工程采取剛度等效公式將圍護(hù)樁轉(zhuǎn)換為地連墻，東南側(cè)厚0.63m，西北側(cè)厚0.58m，通過(guò)地連墻的變形特性以表征圍護(hù)樁的變形規(guī)律，樁長(zhǎng)18m，格構(gòu)柱長(zhǎng)14.6m，基坑開(kāi)挖11.2m，采用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，土層主要參數(shù)如表1所示：

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

（一）基坑周邊地表沉降

選取基坑北側(cè)地面，觀察基坑周邊地表沉降趨勢(shì)，如圖3和圖4所示：

圖3 基坑北側(cè)地表沉降取值位置

圖4 基坑周邊地表沉降曲線變化

圖像顯示，基坑周?chē)乇沓两登€呈凹陷型，與高斯分布曲線理論一致?；又?chē)乇碜畲蟪两抵禐?2.6mm，而距離基坑邊6.1m處實(shí)際的測(cè)量數(shù)值為18.16mm，為基坑開(kāi)挖深度的0.55倍。

通過(guò)觀察曲線可知，基坑對(duì)于周?chē)乇淼闹饕绊懛秶鸀?1m左右，約為基坑開(kāi)挖深度的2倍，超出范圍區(qū)域，為次要影響區(qū)。

（二）支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

地下連續(xù)墻的水平位移曲線以表征圍護(hù)樁的變形分布特征，如圖5和圖6所示：

圖5 地下連續(xù)墻變形云以及線上分布特征

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線

由上圖數(shù)據(jù)可知，當(dāng)基坑沒(méi)有開(kāi)挖處于工況-2時(shí)，樁體只產(chǎn)生了微弱的水平位移，分布沒(méi)有明顯的變化。當(dāng)鋪設(shè)第二道內(nèi)支撐后，樁體的水平位移分布曲線呈現(xiàn)出“弓形”趨勢(shì)，產(chǎn)生了最大水平位移為12.66mm，實(shí)測(cè)值為15mm，位于樁長(zhǎng)7.2m處；工況-6時(shí)，樁體在位于樁身8.1m處產(chǎn)生的最大水平位移為21.88mm，實(shí)測(cè)值約為32mm。雖然通過(guò)模擬得出的數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的差異，但是總體變化趨勢(shì)是大致相同的，足以驗(yàn)證模擬的可靠性。

四、基坑影響因素分析

在工程的數(shù)值模擬過(guò)程中，主要分析樁體的嵌固深度、內(nèi)支撐的豎向間距和內(nèi)支撐的剛度3項(xiàng)因素對(duì)工程的影響。

（一）樁體嵌固深度的影響性分析

研究樁體的嵌固深度對(duì)于基坑工程及周?chē)h(huán)境的影響，分別選取3.4m、5.1m、6.8m、8.5m、10.2m和11.9m幾種嵌固深度，建立有限元模型得到周?chē)乇沓两档姆植记€如圖7所示：

圖7 嵌固深度對(duì)周?chē)乇沓两涤绊懬€

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知，嵌固深度對(duì)于基坑周?chē)乇沓两荡嬖谝欢ㄓ绊?，隨著嵌固深度的增大，坑后地表最大沉降逐漸變小，但是一味地增大樁體嵌固深度并不能保證改善效果的持續(xù)性，當(dāng)嵌固深度超過(guò)某一上限值時(shí)，地表最大沉降值減小的速度開(kāi)始降低，可見(jiàn)嵌固深度對(duì)于地表沉降的改善效果是有限的。

（二）內(nèi)支撐豎向間距的影響性分析

該項(xiàng)目基坑的開(kāi)挖深度為11.2m，第一道內(nèi)支撐位于地表冠梁層，第二道內(nèi)支撐與第一道內(nèi)支撐間距為4.8m，為研究?jī)?nèi)支撐豎向間距對(duì)于周?chē)乇沓两岛蛧o(hù)樁變形的影響，本文選取了3.2m、4.8m、6.4m和8m幾種內(nèi)支撐豎向間距，建立有限元模型得到曲線，如圖8所示：

圖8 內(nèi)支撐間距對(duì)周?chē)乇沓两涤绊懬€

由上圖數(shù)據(jù)可知，基坑周邊地表沉降的分布特征呈凹陷型趨勢(shì)，最大沉降值出現(xiàn)在與坑邊距離約0.55倍的基坑開(kāi)挖深度處。當(dāng)內(nèi)支撐的豎向間距為3.2m時(shí)，周邊地表最大沉降值為12.08mm，當(dāng)內(nèi)支撐豎向間距變化為8m時(shí)，最大沉降值約為13.98mm，可見(jiàn)隨著內(nèi)支撐豎向間距增大，周?chē)乇淼某两抵狄苍诓粩嘣龃?，但?nèi)支撐豎向間距對(duì)于沉降的改善效果也存在上限。

（三）內(nèi)支撐剛度的影響性分析

研究?jī)?nèi)支撐剛度對(duì)于基坑圍護(hù)樁以及周?chē)h(huán)境的影響，通過(guò)調(diào)整Midas輸入?yún)?shù)，以該項(xiàng)目原有剛度為基準(zhǔn)，將工況選取為基準(zhǔn)剛度的倍數(shù)，分別設(shè)置為：0.4EI、0.6EI、0.8EI、1EI、1.2EI和1.4EI。內(nèi)支撐剛度變化對(duì)于基坑周邊地表沉降值影響分布特征曲線，如圖9所示：

圖9 內(nèi)支撐剛度對(duì)周?chē)乇沓两涤绊懬€

由圖中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)內(nèi)支撐剛度增加時(shí)，會(huì)減少基坑周?chē)乇淼某两抵?。?dāng)剛度為0.4EI時(shí)，基坑周邊地表最大沉降值約為17.71mm，而當(dāng)剛度增加到1.4EI時(shí)，最大沉降值則約為10.96mm，說(shuō)明內(nèi)支撐剛度的變化對(duì)坑后地表沉降值具有一定影響。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在一定區(qū)間范圍內(nèi)，嵌固深度對(duì)基坑周邊地表最大沉降值的改善程度減少了11.68%，隨著參數(shù)的變化，樁體嵌固深度、內(nèi)支撐豎向間距和內(nèi)支撐剛度三項(xiàng)因素對(duì)基坑周?chē)乇沓两档母纳菩Ч手饾u降低趨勢(shì)；內(nèi)支撐間距調(diào)整能夠減少約2.92%的基坑地表沉降，內(nèi)支撐剛度調(diào)整能夠減少11.76%的基坑地表沉降，可見(jiàn)對(duì)基坑穩(wěn)定性及周?chē)h(huán)境影響最大的因素為內(nèi)支撐剛度；隨著基坑開(kāi)挖，周?chē)乇沓两登€由平緩變化轉(zhuǎn)換成凹陷型的分布特征曲線，最大沉降值出現(xiàn)在與坑邊距離約6.1m處；工程施工主要影響區(qū)間大約為2倍基坑深度，最大沉降值出現(xiàn)的位置約為0.55倍基坑深度；通過(guò)模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值對(duì)比，證明有限元模擬雖然在數(shù)值上跟實(shí)際數(shù)據(jù)具有一定差別，但其變化趨向是相似的，即通過(guò)MIDAS建立有限元模型模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程是可靠的。