基于Midas GTS 分析的深基坑降水開挖變形特性研究

溫世聰，周匯智

（1.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510500；2. 廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司，廣州 510500）

1 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展與城市用地資源的緊張，地鐵車站深基坑大量出現(xiàn)在建筑密集、地下水位較淺的地區(qū)。地鐵深基坑在開挖前需要先降低地下水位，而降水出現(xiàn)問題時，可能會引起一定范圍內(nèi)地表沉降，甚至?xí)斐芍ёo(hù)結(jié)構(gòu)破壞，基坑整體倒塌，危及周邊建筑物與地下管線安全，造成嚴(yán)重工程事故。此外，基坑降水開挖過程中，周圍的滲流場平衡會被破壞，這會引起基坑周邊水平與垂直方向上應(yīng)力場的變化，應(yīng)力場變化直接導(dǎo)致了位移場的變化[1-2]，即基坑周邊土體會因此出現(xiàn)位移變形。鑒于深基坑工程的危險性與復(fù)雜性，有必要總結(jié)基坑降水開挖過程中周邊土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，找出相關(guān)的規(guī)律。

數(shù)值模擬在建立基坑滲流場與應(yīng)力場耦合的有限元模型中得到廣泛的應(yīng)用，可為基坑降水和支護(hù)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)[3]。Midas GTS 可以模擬較為復(fù)雜的巖土工程問題，在基坑開挖設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)用較為廣泛[4-5]。本文結(jié)合地鐵車站深基坑的工程實(shí)例，選取不利截面進(jìn)行基坑降水開挖模擬，考慮滲流作用存在與否對于基坑開挖的影響，并分析基坑開挖引起周邊地表沉降變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化規(guī)律，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

2 工程概況

廣州某地鐵站深基坑，距離基坑西北側(cè)16 m 處有密集村民住宅分布，北側(cè)6.2 m 處有一座學(xué)校，南側(cè)現(xiàn)狀為農(nóng)田。本基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬22.5 m，開挖深度約為19 m，基坑安全等級為一級，周邊環(huán)境復(fù)雜，對變形控制要求較高。本區(qū)域?qū)儆谥榻侵逈_積平原地貌，根據(jù)地質(zhì)鉆探揭示的場地地層依次為：雜填土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、砂質(zhì)黏性土、基巖。

本工程場地內(nèi)存在多處地表水體，基坑北側(cè)存在一條水深約1.0 m 的小河，與地下水存在密切水力聯(lián)系；地下水主要為第四系松散層孔隙水、基巖風(fēng)化及構(gòu)造裂隙承壓水，初見地下水水位埋深0.60 m。潛水主要分布在淺部土層、＜2-2＞淤泥質(zhì)粉細(xì)砂及＜5Z-2＞砂質(zhì)黏性土（硬塑）中，主要靠大氣降水和地表水徑流補(bǔ)給，其排泄方式主要為大氣蒸發(fā)或人工抽汲地下水。

主體結(jié)構(gòu)基坑支護(hù)主要采用800 mm 厚地下連續(xù)墻+ 三道內(nèi)支撐（二道混凝土內(nèi)支撐+ 一道鋼支撐）支護(hù)體系，連續(xù)墻外側(cè)采用直徑600 mm、 間距450 mm 單軸攪拌樁加固，加固至相對不透水層（砂質(zhì)黏性土）以下1.5 m。降水采用管井并結(jié)合排水明溝+ 集水井方案，基坑外側(cè)不降水，基坑內(nèi)側(cè)設(shè)疏干降水井，基坑外側(cè)設(shè)置回灌井，保護(hù)沉降敏感建筑[6]。降水井深度為基底以下0.5 m，成孔直徑1 200 mm。

3 計(jì)算模型概況

只考慮基坑開挖，未考慮滲流作用時，建立三維模型，模型計(jì)算范圍為長約650 m，寬約200 m，土層計(jì)算深度為60 m。模型底部約束Z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。整體模型的荷載條件為：巖土層自重，一般地面按20 kPa。

為考慮基坑開挖過程中滲流耦合作用的影響，選取了三維模型中不利截面進(jìn)行基坑降水開挖模擬，分析周邊地表沉降[7-8]。模型底部約束Y方向位移，模型左右兩面約束X方向位移。利用Midas GTS 根據(jù)地層條件及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸劃分單元，建立基坑降水相應(yīng)物理模型（見圖1）和模型邊界條件（見圖2）。

圖1 基坑降水模型示意圖

圖2 邊界條件示意圖

4 模型參數(shù)和施工工況設(shè)置

基坑開挖模型中土層本構(gòu)模型采用修正摩爾庫倫模型[9]，地連墻、板撐采用板單元，支撐采用梁單元；基坑降水開挖模型中土層、 地下連續(xù)墻采用平面應(yīng)變單元，內(nèi)支撐采用梁單元。土體參數(shù)建議值見表1。支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 土體參數(shù)建議值表

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

基坑開挖深度19 m，分4 次開挖，每次開挖土層底標(biāo)高分別為1.0 m、7.7 m、13.7 m、19 m?？紤]滲流作用影響，即每次開挖前先進(jìn)行降水，基坑施工期間保持坑內(nèi)水位在開挖面以下1.0 m。地面絕對高程為8.4 m，降水后絕對高程分別為6.4 m、－0.3 m、－6.3 m、－11.6 m。結(jié)合實(shí)際施工步驟，基坑降水開挖模型共分為個13 工況，具體見表3。

表3 基坑降水開挖模擬施工步驟（考慮滲流作用）

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 各工況下地表沉降極值分析

各工況下地表沉降極值見表4。擬建基坑施工期間，地表豎向變形最終變現(xiàn)為沉降，沉降整體呈增加趨勢。

表4 各工況地表豎向位移極值 mm

5.2 地表沉降分析

考慮滲流作用情況時，地表沉降模擬結(jié)果如圖3 所示，地表沉降變化規(guī)律沿坑外方向先增大后減小，逐漸趨向穩(wěn)定；隨著開挖深度的增加，沉降逐漸變大，地表最大沉降位置在距離基坑邊（1/3～2/3）h（h 為基坑開挖深度）處?；娱_挖至19 m時，地表最大沉降為43.994 mm，在相同開挖條件下，考慮滲流影響時的地表最大沉降比不考慮滲流影響時的大1.5 倍。

圖3 考慮滲流各工況下地表沉降示意圖

5.3 地下連續(xù)墻水平位移分析

當(dāng)考慮滲流作用情況時，地下連續(xù)墻水平位移模擬結(jié)果如圖4 所示。當(dāng)基坑開挖至1.0 m 且未施加第一道水平支撐時，墻頂出現(xiàn)最大變形，沿墻身隨深度增加，水平位移逐漸減小趨向0。隨著基坑開挖深度的增加，地下連續(xù)墻墻身水平位移逐漸變大，并分別在墻身7.7 m、13.7 m 處達(dá)到最大值，之后水平位移逐漸變小?；娱_挖至13.7 m 時，墻身最大水平位移為25.410 mm，為不考慮滲流時的2 倍。

圖4 考慮滲流各工況下墻體水平位移示意圖

綜上所述，基坑降水開挖引起的滲流作用對地表沉降的影響不容忽視。在基坑降水過程中，當(dāng)?shù)叵滤幌陆刀荒芗皶r進(jìn)行補(bǔ)充時，極易引起土體變形，進(jìn)而通過沉降影響地面結(jié)構(gòu)的豎向沉降和水平位移。

5.4 Mi das GTS 數(shù)值模擬與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果對比

本工程在施工期間進(jìn)行了現(xiàn)場基坑監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括地表沉降、地下水位、支護(hù)樁（墻）體水平位移、支撐軸力等。通過與調(diào)查區(qū)地面沉降等值線圖進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，本基坑施工過程中，基坑周邊地面沉降量為0～5 cm，較遠(yuǎn)處地面沉降可達(dá)15～20 cm。模擬范圍內(nèi)基坑周圍地表沉降數(shù)值與調(diào)查值較為符合。

數(shù)值模擬過程中，有限元模型中各材料的本構(gòu)選取、模型計(jì)算時土體簡化為各向同性材料、 滲流模擬過程中假定土體體積保持不變、模擬中基坑土層簡化為平行分布[10]等，均與實(shí)際情況有些許區(qū)別。因此，模擬值與實(shí)測值存在一定差異，但總體誤差可接受。

綜上，Midas GTS 軟件在考慮滲流作用時的基坑降水開挖模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性較為可靠，可以為基坑降水和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的參考。

6 結(jié)語

本文借助Midas GTS 軟件，以廣州市某深基坑開挖為例，考慮滲流作用，模擬基坑降水開挖所引起支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體的沉降變形，模擬結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果基本相符。根據(jù)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）基坑降水開挖引起的滲流對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境影響較大，在設(shè)計(jì)與施工過程中應(yīng)重視滲流作用帶來的影響，同時在地下水位較高、 飽和性砂土層較厚地區(qū)更應(yīng)該重視降水工作；

2）考慮滲流影響時，基坑周邊地表沉降變化和支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移規(guī)律相似，為不考慮滲流作用時的1.5 倍和2 倍；

3）實(shí)際基坑降水開挖過程，會受到很多額外因素的影響，利用Midas GTS 軟件進(jìn)行模擬分析時，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行考慮，必要時應(yīng)結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析。