基坑開挖對臨近建筑物筏板變形影響的MIDAS/GTS數(shù)值分析①

張俊龍, 李大華

(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

在基坑開挖結(jié)束后，基坑內(nèi)部會因為土體自重卸荷產(chǎn)生的應(yīng)力釋放發(fā)生應(yīng)力重分布引起位移變化，主要位移影響分為三個部分：坑內(nèi)土體向上隆起、基坑圍護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)移動、基坑外地表沉降，其中被動土壓力使圍護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)移動同時地表位移還會對臨近建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，所以在正式施工前需要利用有限元軟件數(shù)值分析模擬基坑和建筑物之間的受力和位移，預(yù)測實際工程中基坑開挖對建筑物的最不利影響，降低基坑開挖造成的不確定因素帶來的風(fēng)險。國內(nèi)外學(xué)者就基坑開挖對周圍環(huán)境影響做出許多研究，其中外國學(xué)者Burland[1]分析基坑開挖對周圍建筑物受力性能在平面應(yīng)力狀態(tài)下的變化，但是研究僅僅基于半經(jīng)驗方法，不具有普遍性。為了簡化模型的計算使用MIDAS/GTS中的修正-摩爾庫倫模型對基坑開挖和支護進行仿真模擬，其他學(xué)者[2-7]在研究施工工序?qū)臃€(wěn)定性影響中為使用該模型進行模擬提供了理論支持，基坑開挖的最大沉降點與基坑邊緣有一定的距離，并且周圍既有建筑物的沉降值和最大沉降點位置的曲線幾乎一致，大量模擬數(shù)據(jù)[8-10]認為基坑的開挖影響范圍約為開挖深度的2-3倍，并且隨著與基坑邊緣的距離越近，建筑物的絕對沉降和差異越大，通過數(shù)值模擬研究基坑開挖對建筑物筏板的位移影響。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

該項目位于淮北市烈山區(qū)，總共四個基坑，共開挖基底面積6605.90m2，總建筑面積為29101.5m2，其中兩個基坑長73.2m，寬31.6m，另外兩個長35m，寬30m，四個基坑的開挖深度均為4.7m，建筑物筏板長12m，寬6m，建筑物高度23.85m，開挖順序按照基坑編號依次進行，開挖放坡如圖1所示，開挖一和開挖二采用圈梁加內(nèi)支撐的形式進行支護，開挖三設(shè)置錨桿和圈梁支護。

1.2 工程地質(zhì)條件

該項目場地巖土層主要由粉質(zhì)黏土夾粉土、粉土、粉質(zhì)黏土組成。根據(jù)勘探成果結(jié)合室內(nèi)外試驗提供的報告，選取各巖土層計算指標如表1所示。

1.3 工程監(jiān)測方案

監(jiān)測內(nèi)容和報警值分別如表2、表3所示。

表1 各巖土層計算指標

表2 監(jiān)測內(nèi)容

表3 監(jiān)測報警值

圖1 開挖放坡示意圖

2 有限元模型計算

2.1 建模前的準備

為了使模型最大限度地模擬實際工程概況，需要提前設(shè)定好參數(shù)，修正摩爾-庫倫模型參數(shù)如表4所示。

(1)定義土層、建筑物、地連墻、建筑物筏板樁及支護結(jié)構(gòu)的屬性，土體材料選擇修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，建筑物和支護結(jié)構(gòu)使用彈性模型。

(2)屬性：土體及建筑物使用3D實體單元、地連墻和筏板樁使用2D板單元、支護結(jié)構(gòu)及樁使用1D梁單元。

(3)拓展延伸：通過二維的線和面來建立三維基坑-建筑物模型。

(4)分割實體：采用布爾運算對土層劃分及基坑開挖深度不同的劃分。

(5)印刻：建筑物的樁分布在土層一和二中，印刻的目的是使基坑立柱樁和建筑物樁這些1D梁單元與周圍單元節(jié)點耦合。

(6)析取：建筑物筏板和地連墻這些二維板單元是嵌入在土層這些三維實體單元中，為了使其節(jié)點耦合采取析取的方式。

(7)網(wǎng)格劃分：基坑尺寸為1，使用混合網(wǎng)格生成器，在基坑實體劃分的過程中選擇高級表單將基坑一并劃分，使其節(jié)點耦合。建筑物尺寸為2，同時將建筑物樁一并劃分。三層土體單獨劃分，土體劃分尺寸為2.5。

(8)屬性更改：在網(wǎng)格全部劃分之后，將所有的結(jié)構(gòu)單元屬性更改正確，并按不同類型劃分，方便后期施工工況的建立。

(9)約束：對基坑立柱，建筑物進行RZ約束，應(yīng)力分析時對模型四周進行邊界約束，最后將自重荷載定義。

表4 修正摩爾-庫倫模型參數(shù)

2.2 模型建立

本模型是通過CAD二維線框?qū)牒笸ㄟ^拓展延伸建立起來的，基坑模型，包括建筑物筏板樁和整體模型分別如圖2,圖3,圖4所示。

圖2 整體模型

圖3 基坑模型

圖4 建筑物筏板樁模型

2.3 施工過程及各個施工工況分析

施工過程如下：

第一步：初始應(yīng)力場分析?！凹せ睢蓖馏w、開挖基坑、建筑物及筏板樁，在靜力荷載下施加自重荷載，邊界位移選擇建筑物立柱樁約束和邊界約束，勾選“位移清零”選項，為了不考慮地基原本的沉降。

第二步：地連墻和立柱支護。“激活”地連墻和立柱，邊界條件選擇基坑立柱樁約束。

第三步：第一次開挖施工。對基坑1開挖的第一層土進行“鈍化”操作，“激活”圈梁1和內(nèi)支撐1。

第四步：第二次開挖施工。對基坑1開挖的第二層土進行“鈍化”操作，“激活”圈梁2和內(nèi)支撐2。

第五步：第三次開挖施工。對基坑1開挖的第三層土進行“鈍化”操作，“激活”圈梁3和錨桿，同時“激活”錨桿預(yù)應(yīng)力。

3 基坑及土體變形分析

基坑變形主要由圍護結(jié)構(gòu)變形、坑底隆起變形、坑外地表土體位移三部分組成，彼此之間相互聯(lián)系，相互影響。

1)圍護結(jié)構(gòu)位移

基坑開挖完成之后，圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形云圖呈連續(xù)的倒三角形狀，最大側(cè)向位移發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)頂端中部，如圖5所示基坑1開挖后圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移為2.38mm。

圖5 基坑開挖后圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

基坑在開挖過程中，墻體豎向位移一方面是因為基坑內(nèi)部土體隆起會帶動圍護結(jié)構(gòu)上移，另一部分是因為圍護結(jié)構(gòu)自身重量和坑底殘余土體清理產(chǎn)生的位移。如圖6所示基坑豎向位移最大發(fā)生在圍護墻體中部，并向坑角兩端逐漸遞減。

圖6 基坑開挖后圍護結(jié)構(gòu)豎向位移

2)坑底隆起

坑內(nèi)土體開挖之后，坑內(nèi)土體會因為開挖土自重應(yīng)力釋放而發(fā)生卸載回彈和圍護結(jié)構(gòu)對墻體進行約束，所以其中坑角隆起最小，坑底中部隆起最大。另外坑內(nèi)土體在開挖完之后，坑內(nèi)外產(chǎn)生壓力差使圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生向坑內(nèi)側(cè)的位移，這時被動區(qū)的土體處于三軸拉伸狀態(tài)，從而也會引起坑內(nèi)土隆起。

3)坑外土體位移

基坑開挖對周圍土體會產(chǎn)生水平和豎向的位移，其中坑外地表土體的沉降是我們應(yīng)該關(guān)注的主要方向。

如圖7所示基坑周圍地表沉降線上圖呈下降趨勢，靠近圍護結(jié)構(gòu)的墻邊沉降最明顯，坑外地表沉降最大值為10mm，影響主要范圍區(qū)域表現(xiàn)在4倍基坑開挖深度內(nèi)，其中在2倍基坑開挖深度最明顯。

圖7 地表沉降位移線上圖

4 基坑開挖對周圍建筑物筏板位移變形分析

隨基坑土體開挖，坑外土體會發(fā)生不均勻沉降，造成建筑物內(nèi)部發(fā)生彎曲和剪切變形。同時，根據(jù)建筑物跨越坑外地表凹凸區(qū)間不同，還會引發(fā)建筑物發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。因此，基坑開挖對周圍建筑物影響是一個復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，所以在分析計算模型時，只對建筑物筏板的沉降和位移做研究分析。

4.1 建筑物筏板角點沉降數(shù)值

對于基坑開挖完成之后，建筑物角點沉降值和基坑坑角到建筑物角點線上圖，如圖8和圖9所示?？梢缘贸龌拥浇ㄖ镏g地表沉降速度與兩者之間的距離呈反比，對于建筑不同位置的角點來說，靠近基坑一側(cè)角點沉降值大于遠離基坑側(cè)。

(a)

圖9 建筑物角點沉降值

4.2 建筑物筏板變形分析

側(cè)向位移：基坑開挖后地表土體發(fā)生側(cè)向位移會帶動建筑物筏板移動，如圖10模擬數(shù)據(jù)表明靠近基坑側(cè)的位移比遠離基坑一側(cè)要大。

豎向位移：基坑開挖后周圍地表產(chǎn)生不均勻沉降，如圖11模擬數(shù)據(jù)表面在靠近基坑開挖側(cè)比遠離側(cè)的沉降要大，特別是坑角方位位移達到最大值，實際工程中一般采取增加圍護樁的樁徑來控制變形。

圖10 基坑開挖后建筑物筏板側(cè)向位移

圖11 基坑開挖建筑物筏板豎向位移

5 結(jié) 論

結(jié)合淮北某高校項目中基坑開挖工程，基于MIDAS/GTS軟件建立基坑和建筑物模型，分析基坑開挖完成后，建筑物筏板的位移變化特點，主要研究結(jié)論如下：

(1)根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果均在監(jiān)測方案報警值之內(nèi)表明在軟土地區(qū)基坑開挖時，采用依托的工程基坑支護方式能有效控制基坑內(nèi)部變形引起的坑外土體沉降值，保障周圍建筑物安全。

(2)隨著基坑開挖深度逐漸增加，地表沉降顯著增加，最大值發(fā)生靠近基坑開挖的墻邊，對于軟土地區(qū)的淺基坑開挖，其影響范圍一般在3-4倍基坑開挖深度內(nèi)。

(3)建筑物筏板不均勻沉降和水平位移主要是由于基坑開挖使得建筑物周圍地表土體沉降引起的，建筑物筏板在靠近基坑一側(cè)的沉降值較大，并且水平位移最大值也是發(fā)生在與沉降最值的同側(cè)，因此在工程施工時應(yīng)對基坑開挖側(cè)沉降監(jiān)測數(shù)值進行控制，保證基坑開挖合理正常。