基于Midas GTS分析深大基坑开挖对邻近建筑物的影响

颜 超

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

随着国家经济的持续发展，特大型城市（如北京、上海、广州等）基础公共设施开发与建设开始逐渐趋于饱和，渐渐由城市建设向城市更新转变；同时，由于城市用地资源的匮乏，地下空间的开发与利用的需要也日趋突出。因此，越来越多的基坑工程周边环境相当复杂，保护要求也随之提高。

目前，已有许多学者针对基坑开挖对邻近建筑物的影响做了深入的研究。在基坑施工对邻近既有设施影响方面，胡军[1]、王明珉等[2]、刘松玉等[3]、张骁等[4]通过采用试验、数值分析以及现场监测等方法探索和研究了周边桩基受基坑施工的影响，呈现了基坑开挖对邻近桩基的影响机制；Shi等[5]、魏纲等[6]、郑刚等[7]、姚爱军等[8]分别采用解析解、室内试验及数值分析等方法探索和研究了基坑开挖全过程对紧邻既有盾构隧道所产生的影响，并进一步给出了相应的保护技术和控制措施；张陈蓉等[9]、王成华等[10]、姜峥[11]、何小龙等[12]探索和研究了基坑开挖全过程对周边既有管线的影响，并给出了相应的变形控制标准和保护要求。

本文基于上海某综合体基坑工程，通过应用大型有限元软件Midas GTS，对基坑开挖全过程对邻近建筑物的影响进行了分析，从而为以后的工程使用类似的分析方法提供借鉴。

1 工程实例

1.1 工程概况

上海某综合体项目位于上海市徐汇区，基坑总面积约5.6万 m2，开挖深度6.75～12.80 m。其中，邻近上海体育馆南侧的2区基坑开挖深度为12.50 m，上海体育馆距离基坑边线最近为3.4 m，如图1所示。

图1 工程平面示意

上海体育馆基底埋深为地下3.7 m，桩基采用桩径600 mm、有效桩长16.1 m的钻孔灌注桩。基坑总体施工方案采用顺作法。基坑围护结构为：北侧和南侧采用厚1.0 m地下连续墙＋φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩槽壁加固并结合2道钢筋混凝土支撑；东侧和西侧采用φ950 mm@1 150 mm钻孔灌注桩＋φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩。邻近上海体育馆侧基坑典型剖面如图2所示。

图2 工程典型剖面

1.2 地质情况

本项目场地属于古河道分布区，该区域土体主要以流塑黏性土为主，该类土体含水量较高、压缩性较大，并且土体的力学性质也比较差。本工程在基坑开挖范围内的土层分布如下：①填土、③淤泥质粉质黏土、④1淤泥质黏土、④2-1粉质黏土、④2-2砂质粉土、⑤1粉质黏土和⑤3粉质黏土。

2 有限元模型

2.1 三维有限元模型

为分析基坑开挖与周边建筑的相互影响，采用大型有限元软件Midas GTS进行数值模型精细化模拟，由于本模型的计算分析体量较大，为提高计算精度和速度，对三维模型进行了一定的简化，如图3所示。

图3 三维有限元计算模型

本模型包括实际土体、地下连续墙、围檩、支撑、立柱（立柱桩）、小白楼基础结构以及上海体育馆基础结构，其中小白楼和上海体育馆上部结构均转换为实际荷载代替。各材料属性见表1，泊松比均为0.2。

表1 单元材料属性

2.2 土体本构模型及计算参数

有限元法是分析基坑开挖与周边环境相互影响的常用手段，该分析法的关键在于选取合适的土体本构模型和合理的模型参数，修正摩尔-库仑本构模型（即HS模型）是常用于基坑开挖数值分析的模型之一，适用于基坑开挖全过程中对周边敏感环境进行分析[13]。

HS本构模型有11个计算参数：有效黏聚力c，有效内摩擦角φ，剪胀角ψ，刚度应力水平相关幂指数m，卸荷再加荷泊松比vur，参考应力pref，破坏比Rf，正常固结条件下的侧压力系数K0，三轴排水试验的参考割线刚度E，固结试验的参考切线刚度E，卸荷再加荷模量E。本模型土体参数见表2。

表2 土层计算参数

2.3 模拟工况

Midas GTS有限元软件通过“激活和钝化”单元来模拟整个施工过程，具体工况如下：STEP1，计算初始地应力场；STEP2，计算周边环境应力场；STEP3，施工围护结构；STEP4，开挖至首道支撑底，并施工首道围檩和支撑；STEP5，开挖至第2道支撑底，并施工第2道围檩和支撑；STEP6，开挖至坑底。

3 计算结果分析

3.1 与实测数据对比

为确保有限元参数选取的准确性和合理性，将本基坑开挖至坑底时靠近上海体育馆侧围护结构侧向位移的计算结果与现场实测结果进行比对，如表3、图4所示。

表3 上海体育馆地基梁沉降对比

从表3和图4中可以看出，有限元分析结果与实际监测结果比较吻合，因此可以确定本文所建的模型中所选取的参数是准确、合理的。

图4 有限元结果与实测结果对比

3.2 坑底被动区加固影响

本小节考虑了基坑被动区土体加固对基坑围护结构侧向位移、上海体育馆地基梁沉降以及桩基侧向位移的影响，如图5～图7所示，并微调了计算工况。

图5 围护结构侧向位移

图6 上海体育馆地基梁沉降

图7 上海体育馆桩基侧向位移

具体工况调整如下：STEP1，计算初始地应力场；STEP2，计算周边环境应力场；STEP3，施工围护结构及被动区加固，开挖至第1道支撑，并施工第1道围檩和支撑；STEP4，开挖至第2道支撑底，并施工第2道围檩和支撑；STEP5，开挖至坑底；STEP6，施工2区结构底板并拆除第2道支撑。

结合表3、图4～图6可以看出，对基坑被动区土体进行加固有利于改善围护结构的侧向变形，降低对周边环境的影响。从图5～图7可以看出，施工2区结构底板并拆除第2道支撑是最不利的施工工况，并且经过基坑被动区加固后围护结构的侧向位移最大值由0.9H（H为挖深）上移至0.7H处，这主要是由于在第2道支撑拆除后，已完成的结构底板至第2道支撑之间的结构未能够及时回筑而造成的，因此，在现实施工情况下，应在结构回筑至最后一道支撑底时再拆除该道支撑，这与实际施工情况也相符合。

4 结语

本文基于上海某综合体基坑工程，通过采用大型Midas GTS有限元软件并选用HS本构模型进行精细化建模，分析基坑开挖的全过程对邻近建筑物的影响，将分析结果与现场实际监测数据进行对比，验证了模型参数选取的合理性和准确性。在此基础上，分析了基坑被动区加固及结构底板回筑对围护结构侧向变形以及建筑物沉降的影响，从而为以后的工程使用类似的分析方法时提供借鉴。