基于Midas GTS 分析項目建設(shè)對鄰近水閘的影響

梁永祥

（廣州市智利達咨詢有限公司，廣東 廣州 511400）

隨著城市化進程的加快，城市建設(shè)用地愈發(fā)緊張，深基坑的建筑工程日益增多。當(dāng)工程周邊環(huán)境復(fù)雜時，在考慮深基坑自身的穩(wěn)定和安全時，還要考慮周邊建筑的安全性。當(dāng)周圍建筑物離深基坑過近時，應(yīng)當(dāng)采取一定的措施來減小工程施工對周邊環(huán)境的影響[1］。伴隨著大量深基坑的應(yīng)用，如何對深基坑開挖引起的周邊環(huán)境進行有效的控制，張亞奎[2］、王素霞[3］、華正陽[4］等都對此進行研究和分析。特別是隨著有限元計算軟件的廣泛應(yīng)用，可以通過計算軟件對復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)及地質(zhì)條件進行模擬，直觀準(zhǔn)確地反映建筑物的變形情況[5-7］。

為分析項目開發(fā)建設(shè)時對既有水閘工程的影響，本文以鄰近水閘工程的某足球訓(xùn)練基地為例，通過Midas GTS／NX 巖土分析軟件，對足球訓(xùn)練基地開發(fā)建設(shè)期間水閘工程主要建筑物的位移和受力方面進行數(shù)值模擬分析，從而研究既有水閘工程的安全狀況，確保足球訓(xùn)練基地的施工安全以及已建水閘工程的運行安全。

1 工程概況

廣州擬建的某足球訓(xùn)練基地位于廣州市番禺區(qū)，該地塊鄰近蓮花山水道呈不規(guī)則形狀，位于亞運城樂羊羊路東側(cè)。項目規(guī)劃建設(shè)用地面積44104 m2，擬建建筑主要包括：球員公寓、酒店、訓(xùn)練館、設(shè)備倉庫、球場等。擬建項目位于既有水閘工程的南側(cè)，且部分建筑物已進入河涌及水閘的管理范圍內(nèi)，最大進入距離約88 m，主體建筑與河岸線最小水平凈距約80 m，項目紅線與河岸線最小水平凈距約18 m。擬建項目與既有水閘工程相對位置見圖1。

圖1 擬建項目與水閘工程相對位置關(guān)系圖

1.1 工程地質(zhì)

結(jié)合項目地塊的勘察資料和水閘的勘察資料，擬建項目的各土、巖層情況如下：

①層：人工填土層，松散，層厚1.0 m～4.9 m，建議地基承載力特征值fak=80 kPa。

②-1 層：粉質(zhì)粘土層，可塑，層厚0.8 m～4.8 m，建議地基承載力特征值fak=140 kPa。

②-2 層：淤泥質(zhì)土層，流塑，層厚8.7 m～21.6 m，建議地基承載力特征值fak=70 kPa。

②-3 層：粉質(zhì)粘土層，可塑，層厚1.2 m～7.4 m，建議地基承載力特征值fak=160 kPa。

②-4 層：中粗砂層，稍密，層厚1.5 m～11.0 m，建議地基承載力特征值fak=160 kPa。

②-5 層：粉質(zhì)粘土層，可塑，層厚1.7 m～4.1 m，建議地基承載力特征值fak=160 kPa。

③層：粉質(zhì)粘土層，硬塑，層厚1.3 m～5.4 m，建議地基承載力特征值fak=220 kPa。

④-1 層：全風(fēng)化粉砂巖層，堅硬土狀，層厚1.5 m～6.7 m，建議地基承載力特征值fak=350 kPa。

④-2 層：強風(fēng)化粉砂巖層，半巖半土狀和土夾碎石狀，層厚1.2 m～10.5 m，建議地基承載力特征值fak=500 kPa。

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭露及鉆孔地下水位觀測，填土層、沖積層粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土屬弱透水層，淤泥質(zhì)土層為含水而不透水層，中砂層為中等～強透水層，在砂層分布范圍內(nèi)，地下水較豐富，但整個場地砂層分布范圍有限。下伏基巖整體分布不均勻，變化較大，基巖裂隙發(fā)育，裂隙中賦存有一定的裂隙水，裂隙水量的大小跟裂隙的連通性有關(guān)。場地內(nèi)地下水類型屬承壓水。勘察區(qū)地下水位動態(tài)變化一般為0.5 m～2.0 m。

2 三維數(shù)值模型

Midas GTS／NX 是一款基于尖端的計算機處理和分析技術(shù)研發(fā)而成的新一代通用巖土分析軟件。該軟件包含施工階段的應(yīng)力分析和滲透分析等巖土所需的幾乎所有分析功能的通用分析軟件。

2.1 技術(shù)路線

本報告數(shù)值分析的技術(shù)路線如下:

（1）本構(gòu)模型選?。?/p>

（2）假定與簡化條件；

（3）最危險工況及位置的判斷及選取；

（4）不同工況下的分析計算；

（5）分析總結(jié)及綜合評估。

2.2 分析范圍

根據(jù)擬建項目與水閘的位置關(guān)系、項目的施工情況以及水閘的結(jié)構(gòu)資料等，綜合確定模型計算范圍。模型范圍的控制原則為，一方面邊界條件不能較大影響研究部位的計算結(jié)果（即精度要求），另一方面模型尺寸不宜過大，以節(jié)省運算的時間成本。

根據(jù)上述原側(cè)，模型寬度范圍取300 m，長度范圍取380 m，高度范圍取60 m，建立的三維數(shù)值模型見圖2。

圖2 三維數(shù)值模型整體圖

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料、擬建項目和水閘的結(jié)構(gòu)方案，并結(jié)合類似項目工程經(jīng)驗，確定相應(yīng)的巖土參數(shù)及材料參數(shù)，根據(jù)工程的特點，主要采用的本構(gòu)模型及單元類型如下：

（1）巖土層及鋼筋砼結(jié)構(gòu)采用三維實體單元，基坑圍護樁（等效為墻）采用板單元，樁采用植入式梁單元，錨索采用植入式桁架單元。

（2）巖土層采用修正摩爾庫侖本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)物采用彈性本構(gòu)模型。

模型主要采用的材料計算參數(shù)見表1 和表2。

表1 巖土層主要參數(shù)表

表2 結(jié)構(gòu)材料主要參數(shù)表

2.4 邊界條件

（1）位移邊界條件：模型底部約束XYZ 方向位移，模型前后兩面約束Y 方向位移，模型左右兩面約束X 方向位移；

（2）荷載邊界條件：自重、河涌水壓力及施工荷載。

2.5 模擬工況

針對擬建項目施工的全過程進行三維模擬，共分為4 個模擬步驟（工況），見表3，各模擬工況的有限元模型見圖3～圖6。

圖3 工況1（初始地應(yīng)力平衡）

圖4 工況2（基坑開挖）

圖5 工況3（樓房澆筑）

圖6 工況4（場地填筑及球場施工）

整體模型中，幾個主要的部件分別為樓房、堤圍（含擋土墻）、水閘、船閘等，實際建模時，對各結(jié)構(gòu)部件進行等效簡化。

3 計算結(jié)果影響分析

3.1 位移影響分析

各工況下水閘、船閘的最大位移計算結(jié)果見表4。

表4 位移統(tǒng)計表 單位：mm

施工完成后（工況4），水閘的總位移云圖見圖7，船閘的總位移云圖見圖8。

圖7 水閘總位移（工況4）

圖8 船閘總位移（工況4）

分析上述計算結(jié)果可知，隨著項目施工推進，水閘、船閘等水工建筑的總位移呈現(xiàn)出先增后減再增的趨勢，這是因為：

（1）當(dāng)擬建項目基坑開挖時（工況1），坑底產(chǎn)生回彈而引起周邊地表沉降，因此水工建筑物產(chǎn)生輕微下沉和向基坑方向的水平位移。

（2）當(dāng)擬建項目房屋澆筑時（工況2），房屋對地基產(chǎn)生壓縮（因采用樁基，影響較?。?，引起周邊地表輕微隆起，因此水工建筑物產(chǎn)生輕微上浮和背離樓房方向的水平位移，即對工況一有局部抵消效應(yīng)。

（3）當(dāng)場地填筑及球場施工時，對原地基產(chǎn)生大面積附加荷載，地基產(chǎn)生壓縮和側(cè)向擠出，因此水工建筑物產(chǎn)生上浮和背離樓房方向的水平位移。

3.2 受力影響分析

各工況下水閘、船閘的第一、第三主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力計算結(jié)果見表5。

表5 應(yīng)力統(tǒng)計表 單位：kPa

表6 相比初始狀態(tài)的應(yīng)力變化率統(tǒng)計表 單位：%

施工完成后（工況4），水閘的最大應(yīng)力變化云圖見圖9，船閘的最大應(yīng)力變化云圖見圖10。

圖9 水閘第三主應(yīng)力（工況4）

圖10 船閘第三主應(yīng)力（工況4）

既有結(jié)構(gòu)的安全性評估主要通過其變形后的最大內(nèi)力與極限承載力進行對比分析，或應(yīng)力的變化在其結(jié)構(gòu)的允許范圍內(nèi)，則認為結(jié)構(gòu)是安全的。本擬建項目隨著施工推進，水閘、船閘等應(yīng)力出現(xiàn)重分布，在工況2～工況3 階段，應(yīng)力變化極小，在工況4 階段，應(yīng)力出現(xiàn)相對較明顯變化，變化率處于-1.51%～2.89%之間，尤其是水閘處，應(yīng)力變化幅度最大。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）水閘、船閘等水工建筑的總位移隨著擬建項目施工的呈現(xiàn)出先增后減再增的趨勢，水工建筑物的總位移最大為水閘靠近右岸處，總位移值為8.23 mm，其中豎向位移值為-4.16 mm，水平位移值為7.11 mm，發(fā)生在場地填筑及球場施工階段。水工建筑物以水平位移為主，且越遠離右岸，水工建筑物受到的變形影響越小。

（2）水工建筑物的應(yīng)力隨著擬建項目施工出現(xiàn)重分布，在工況2～工況3 階段，應(yīng)力變化極小，在工況4 階段，應(yīng)力出現(xiàn)相對較明顯變化，變化率處于-1.51%～2.89%之間，尤其是水閘處，應(yīng)力變化幅度最大，但應(yīng)力的變化在結(jié)構(gòu)承載力的允許范圍內(nèi)，水工建筑物在結(jié)構(gòu)受力上是安全的。

（3）從數(shù)值模擬結(jié)果可知，擬建項目施工期間，基坑開挖、樓房澆筑、場地填筑及球場施工等工序?qū)λl及船閘的受力和變形影響程度較小，水工建筑物處于安全狀態(tài)范圍內(nèi)，不會危及其安全和正常使用。

4.2 建議

根據(jù)模擬分析結(jié)果，提出如下建議：

（1）鉆孔灌注樁、管樁施工時采取由遠到近的施工順序，先施工離堤岸結(jié)構(gòu)最遠的樁。

（2）超載對于水工建筑物的受力和變形均產(chǎn)生不利影響，建議在施工過程中，距離右岸堤圍頂凈距20 m 范圍內(nèi)，不能堆放施工材料或棄土，不得停放或運行大型施工機械等，如不能滿足，則應(yīng)經(jīng)進一步驗算且采取有效的措施后方可進行。

（3）為保證水工建筑物的穩(wěn)定和安全，建議在項目施工和運行期加強對水工建筑物的監(jiān)測，定期根據(jù)實測數(shù)據(jù)復(fù)核其是否滿足防洪要求。