深基坑开挖对临近建筑物地下室变形影响的MIDAS/GTS数值分析

丁亚中，张晶晶

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥，230601)

0 引言

有限元数值分析可以反映土壤中复杂的应力和应变以及土层之间相互作用的关系，因此在深基坑开挖前，运用有限元数值分析方法可以有效模拟土体之间的受力和变形。由于有限元数值模拟可以有效的模拟基坑施工的全过程，并且可以预测实际施工中土体之间位移和受力数据，故可以对降低基坑开挖中事故的发生提供必要的数据支持。目前常用的有限元软件有MⅠDAS/GTS、ABAQUS、PLAXⅠS、ANSYS 等，通过运用 MⅠDAS/GTS 软件建立本构模型，如Modify Mohr-Coulomb模型(修正莫尔-库伦模型)来分析土体剪切和基坑开挖中土体变形等问题。洪昇［1］在通过对比有限元计算和现场监测结果发现采用修正莫尔-库伦模型的有限元计算方法对深基坑的围护结构变形以及周围土体应力场进行模拟和分析是合理的。李明瑛等［2］在运用MⅠDAS/GTS有限元软件对深基坑支护进行数值模拟分析，在对比了支护结构实测值与变形值之后，分析了基坑中土体的竖向最大沉降量、桩身最大水平位移、以及锚杆的轴力分布，为基坑变形和监测提供依据。此外，曹力桥［3］通过有限元软件对深基坑开挖基底分析认为基坑底部隆起的位移随着开挖深度增大而增大，并且基坑中部的位移值在不考虑降水时最大，对于基坑土体隆起，需要加强监测。

基坑开挖时，临近建筑物变形的程度随着基坑开挖深度的不同而不同。帅红岩［4］等通过数值模拟分析认为在随着基坑开挖深度的不断增加时，基坑整体的位移也不断增大。张向东等［5］认为基坑在开挖深度不断增加，由于周围建筑物作用力，是基坑底部土体和边坡土体联结，容易滑动，导致基坑变形，容易造成周围建筑物出现沉降、开裂变形。丁克伟等［6］认为基坑开挖会使应力重分布，随着基坑开挖深度的不断增大，基坑的水平位移也不断增大，并且最大的水平位移位置也会随开挖深度变化而变化。本文主要研究在基坑开挖深度增加时，对临近建筑物地下室变形的影响。

1 工程概况

该项目位于长沙市开福区，项目基坑周围建筑物有:左边为1幢商场，下设2层地下室(面积5486 m2，埋深 9.3 m，底板标高为 0.60 m)；右边 1幢写字楼组成，亦设有2层地下室(面积14780 m2，埋深9.3 m，底板标高为0.60 m)。整个项目开挖的基坑为:基坑面积大小约为 4384 m2，基坑长70.13 m，宽 62.51 m，整个基坑开挖深度约为9.4 m。工程概况如图1。在中间基坑开挖之前先开挖两侧地下室，考虑到经济性，中间基坑东西两侧维护结构采用原地下室地连墙。在基坑北边采用的钻孔灌注桩围护支撑；南边采用锚杆加钢筋网片喷锚支护，并采用放坡开挖。中间基坑分二次开挖，每次开挖约4.7 m。本文仅仅考虑中间基坑开挖对两侧地下室影响，故两侧上部结构对地下室的影响以集中应力表示。

2 工程地质条件

根据现场勘察报告可知，该项目场地岩土层主要由杂填土、淤泥质黏土、残积黏土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩和中风化花岗岩组成。根据本次勘探成果，结合室内土工试验成果报告，各层岩土计算指标如表1所示。

表1 各层岩土计算指标统计表

3 有限元计算模型

3.1 模型的建立

3.1.1 模型建立所需要的基本条件

为了让模型与现场的实际条件更相符合，需要具备一些如下的基本条件:

(1)建立模型时候，应当考虑周围土体的应力应变对基坑的干扰。

(2)基坑土体破坏准则条件采用修正莫尔-库伦准则。

(3)采用板单元来模拟地下室和连续墙；桩和柱在划分网格时，采用节点耦合的方式。

(4)运用混合网格单元(以六面体为主，五面体和四面体为过渡的混合网格单元)来划分基坑实体。

(5)模型中重力的方向采用竖直向下的Z轴。

3.1.2 定义材料属性

Y.H.Ong［7］研究发现修正莫尔-库伦模型模拟土壤研究，适用于各类型地基，尤其是一些具有摩擦特性的材料，例如沙土或者混凝土。本文的修正莫尔-库伦模型参数如表2所示。

图1 工程概况图

3.1.3 几何模型的建立与网格的划分

本三维基坑支护模型中的各个参数来源于地基勘察单位和设计单位提供的数据资料。参照实际工程中基坑的大小，在建立几何模型时，由于考虑周围建筑物，为了优化几何模型，对模型的边界尺寸进行了适当的放大。本模型尺寸取得是180 m×180 m×55 m(长×宽×厚)，其中厚度是根据建筑物桩基长度来定的。

本模型是通过二维的线和面扩展得到三维的基坑模型、地下室模型和整体模型，基坑模型厚度根据建筑物桩基础的长度来决定。基坑模型、地下室模型和整体模型分别如图2、图3、图4所示。

图2 基坑模型

图3 地下室模型

图4 整体模型

表2 修正莫尔-库伦模型参数

对已经建好的整体模型进行三维网格的划分，并输入划分网格中各土体的属性参数。本模型中地下室、地下室板和地下室连续墙网格是通过板单元析取来实现。整体三维网格的模型如图5所示。

图5 三维的整体网格模型

3.2 施工过程及各个施工工况分析

基坑计算模型约束采用边界约束，基坑边界条件设置为静力荷载边界条件。

3.2.1 施工过程如下：

第一步:初始应力场平衡:“激活”所有土体单元，在静力荷载下施加自重荷载，边界条件选择位移边界，为了保证后面得到的位移场是由后续施工、开挖、加载所得到的位移，需要勾选“位移清零”选项。

第二步:两侧商场、写字楼地下室施工:“激活”地下室、地下室-柱、地下室-桩单元，“钝化”商场-1、商场-2、写字楼-1、写字楼-2单元。静力荷载选择自重荷载。

第三步:连续墙施工:“激活”连续墙单元。

第四步:第一次开挖施工:“激活”锚杆-1单元，“钝化”开挖-1单元。

第五步:第二次开挖施工:“激活”锚杆-2单元，“钝化”开挖-2单元。

注:1)商场-1表示第一次开挖商场地下室。

2)商场-2表示第二次开挖商场地下室。

3)写字楼-1表示第一次开挖写字楼地下室。

4)写字楼-2表示第二次开挖写字楼地下室。

5)锚杆-1表示第一次打锚杆。

6)开挖-1表示第一次开挖中间基坑。

7)锚杆-2表示第二次打锚杆。

8)开挖-2表示第二次开挖中间基坑。

3.2.2 施工开挖水平位移模拟分析

由图6、图7、图8、图9可以看出在开挖地下室，基坑和施做连续墙过程中水平位移的变化情况:

(1)由图6知地下室开挖最大水平位移为9.10 mm，图7知连续墙施工最大水平位移为9.33 mm。图8知基坑第一次开挖最大水平位移为9.42 mm，图9知基坑第二次开挖最大水平位移为9.58 mm。

(2)随着基坑开挖深度不断变大，土体水平位移也随之变大，地下室和连续墙水平位移也随之发生变化，但总体水平方向的位移变化不是很大。

图6 地下室开挖水平方向位移云图

图7 连续墙施工水平方向位移云图

图8 基坑第一次开挖水平方向位移云图

图9 基坑第二次开挖水平方向位移云图

3.2.3 施工开挖纵向位移模拟分析

由图10、图11、图12、图13可以看出在开挖地下室，基坑和施做连续墙过程中纵向位移的变化情况:

图10 地下室开挖纵向位移云图

图11 连续墙施工纵向位移云图

图12 基坑第一次开挖纵向位移云图

图13 基坑第二次开挖纵向位移云图

(1)由图10知地下室开挖最大纵向位移为45.24 mm，图 11知连续墙施工最大纵向位移48.43 mm。图12知基坑第一次开挖最大纵向位移为50.35 mm，图13知第二次开挖最大纵向位移为62.48 mm。

(2)在基坑开挖深度逐渐变大，基坑在第一次开挖和第二次开挖后，纵向位移发生的较大变化，坑底部分区域出现了隆起现象。坑底中部是坑底隆起量最大的位置。随着基坑不断开挖，越接近坑底的地方，基坑及地下室沉降量越大。

3.2.4 施工开挖竖向位移模拟分析

由图14、图15、图16、图17可以看出在开挖地下室，基坑和施做连续墙过程中竖向位移的变化情况:

图14 地下室开挖竖向位移云图

图15 连续墙施工竖向位移云图

(1)由图14知地下室开挖最大沉降量为2.75 mm，图15知连续墙施工最大沉降量为2.79 mm。图16知基坑第一次开挖最大沉降量为2.85 mm，图17知第二次开挖最大沉降量为4.78 mm。

(2)经三维模拟数据发现，随着基坑开挖深度的增加，地下室及连续墙侧壁土体沉降量也在增加，这表明地表沉降量受到基坑不断开挖的影响，而且地表沉降量随基坑开挖深度而增大。

图16 基坑第一次开挖竖向位移云图

图17 基坑第二次开挖竖向位移云图

4 结论

文章结合实际工程资料，运用MⅠDAS/GTS有限元软件对长沙某项目深基坑开挖工程建立三维模型并进行数值分析，目的是为了研究深基坑开挖对周围已有建筑物地下室变形影响。本文总结得出以下两点结论:

(1)通过对比监测数据与有限元模拟所获得的数据来看，采用Modify Mohr-Coulomb(修正莫尔-库伦)的本构模型的有限元计算方法对深基坑开挖模拟基坑变形及基坑周边临近建筑物地下室变形控制是有效的。

(2)随着基坑开挖深度不断增大，基坑周围土体位移逐渐增大，为了保护周围已有建筑物地下室，在开挖后不被破坏，需要土体位移变化较大的位置布置好监测点，记录好监测信息，确保已有建筑物地下室的安全。