基坑开挖对临近建筑物筏板变形影响的MIDAS/GTS数值分析①

张俊龙, 李大华

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

在基坑开挖结束后，基坑内部会因为土体自重卸荷产生的应力释放发生应力重分布引起位移变化，主要位移影响分为三个部分：坑内土体向上隆起、基坑围护结构向坑内移动、基坑外地表沉降，其中被动土压力使围护结构向坑内移动同时地表位移还会对临近建筑物基础产生不均匀沉降，所以在正式施工前需要利用有限元软件数值分析模拟基坑和建筑物之间的受力和位移，预测实际工程中基坑开挖对建筑物的最不利影响，降低基坑开挖造成的不确定因素带来的风险。国内外学者就基坑开挖对周围环境影响做出许多研究，其中外国学者Burland[1]分析基坑开挖对周围建筑物受力性能在平面应力状态下的变化，但是研究仅仅基于半经验方法，不具有普遍性。为了简化模型的计算使用MIDAS/GTS中的修正-摩尔库伦模型对基坑开挖和支护进行仿真模拟，其他学者[2-7]在研究施工工序对基坑稳定性影响中为使用该模型进行模拟提供了理论支持，基坑开挖的最大沉降点与基坑边缘有一定的距离，并且周围既有建筑物的沉降值和最大沉降点位置的曲线几乎一致，大量模拟数据[8-10]认为基坑的开挖影响范围约为开挖深度的2-3倍，并且随着与基坑边缘的距离越近，建筑物的绝对沉降和差异越大，通过数值模拟研究基坑开挖对建筑物筏板的位移影响。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

该项目位于淮北市烈山区，总共四个基坑，共开挖基底面积6605.90m2，总建筑面积为29101.5m2，其中两个基坑长73.2m，宽31.6m，另外两个长35m，宽30m，四个基坑的开挖深度均为4.7m，建筑物筏板长12m，宽6m，建筑物高度23.85m，开挖顺序按照基坑编号依次进行，开挖放坡如图1所示，开挖一和开挖二采用圈梁加内支撑的形式进行支护，开挖三设置锚杆和圈梁支护。

1.2 工程地质条件

该项目场地岩土层主要由粉质黏土夹粉土、粉土、粉质黏土组成。根据勘探成果结合室内外试验提供的报告，选取各岩土层计算指标如表1所示。

1.3 工程监测方案

监测内容和报警值分别如表2、表3所示。

表1 各岩土层计算指标

表2 监测内容

表3 监测报警值

图1 开挖放坡示意图

2 有限元模型计算

2.1 建模前的准备

为了使模型最大限度地模拟实际工程概况，需要提前设定好参数，修正摩尔-库伦模型参数如表4所示。

(1)定义土层、建筑物、地连墙、建筑物筏板桩及支护结构的属性，土体材料选择修正摩尔-库伦本构模型，建筑物和支护结构使用弹性模型。

(2)属性：土体及建筑物使用3D实体单元、地连墙和筏板桩使用2D板单元、支护结构及桩使用1D梁单元。

(3)拓展延伸：通过二维的线和面来建立三维基坑-建筑物模型。

(4)分割实体：采用布尔运算对土层划分及基坑开挖深度不同的划分。

(5)印刻：建筑物的桩分布在土层一和二中，印刻的目的是使基坑立柱桩和建筑物桩这些1D梁单元与周围单元节点耦合。

(6)析取：建筑物筏板和地连墙这些二维板单元是嵌入在土层这些三维实体单元中，为了使其节点耦合采取析取的方式。

(7)网格划分：基坑尺寸为1，使用混合网格生成器，在基坑实体划分的过程中选择高级表单将基坑一并划分，使其节点耦合。建筑物尺寸为2，同时将建筑物桩一并划分。三层土体单独划分，土体划分尺寸为2.5。

(8)属性更改：在网格全部划分之后，将所有的结构单元属性更改正确，并按不同类型划分，方便后期施工工况的建立。

(9)约束：对基坑立柱，建筑物进行RZ约束，应力分析时对模型四周进行边界约束，最后将自重荷载定义。

表4 修正摩尔-库伦模型参数

2.2 模型建立

本模型是通过CAD二维线框导入后通过拓展延伸建立起来的，基坑模型，包括建筑物筏板桩和整体模型分别如图2,图3,图4所示。

图2 整体模型

图3 基坑模型

图4 建筑物筏板桩模型

2.3 施工过程及各个施工工况分析

施工过程如下：

第一步：初始应力场分析。“激活”土体、开挖基坑、建筑物及筏板桩，在静力荷载下施加自重荷载，边界位移选择建筑物立柱桩约束和边界约束，勾选“位移清零”选项，为了不考虑地基原本的沉降。

第二步：地连墙和立柱支护。“激活”地连墙和立柱，边界条件选择基坑立柱桩约束。

第三步：第一次开挖施工。对基坑1开挖的第一层土进行“钝化”操作，“激活”圈梁1和内支撑1。

第四步：第二次开挖施工。对基坑1开挖的第二层土进行“钝化”操作，“激活”圈梁2和内支撑2。

第五步：第三次开挖施工。对基坑1开挖的第三层土进行“钝化”操作，“激活”圈梁3和锚杆，同时“激活”锚杆预应力。

3 基坑及土体变形分析

基坑变形主要由围护结构变形、坑底隆起变形、坑外地表土体位移三部分组成，彼此之间相互联系，相互影响。

1)围护结构位移

基坑开挖完成之后，围护结构的侧向变形云图呈连续的倒三角形状，最大侧向位移发生在围护结构顶端中部，如图5所示基坑1开挖后围护结构最大侧向位移为2.38mm。

图5 基坑开挖后围护结构侧向位移

基坑在开挖过程中，墙体竖向位移一方面是因为基坑内部土体隆起会带动围护结构上移，另一部分是因为围护结构自身重量和坑底残余土体清理产生的位移。如图6所示基坑竖向位移最大发生在围护墙体中部，并向坑角两端逐渐递减。

图6 基坑开挖后围护结构竖向位移

2)坑底隆起

坑内土体开挖之后，坑内土体会因为开挖土自重应力释放而发生卸载回弹和围护结构对墙体进行约束，所以其中坑角隆起最小，坑底中部隆起最大。另外坑内土体在开挖完之后，坑内外产生压力差使围护结构发生向坑内侧的位移，这时被动区的土体处于三轴拉伸状态，从而也会引起坑内土隆起。

3)坑外土体位移

基坑开挖对周围土体会产生水平和竖向的位移，其中坑外地表土体的沉降是我们应该关注的主要方向。

如图7所示基坑周围地表沉降线上图呈下降趋势，靠近围护结构的墙边沉降最明显，坑外地表沉降最大值为10mm，影响主要范围区域表现在4倍基坑开挖深度内，其中在2倍基坑开挖深度最明显。

图7 地表沉降位移线上图

4 基坑开挖对周围建筑物筏板位移变形分析

随基坑土体开挖，坑外土体会发生不均匀沉降，造成建筑物内部发生弯曲和剪切变形。同时，根据建筑物跨越坑外地表凹凸区间不同，还会引发建筑物发生扭转变形。因此，基坑开挖对周围建筑物影响是一个复杂的应力状态，所以在分析计算模型时，只对建筑物筏板的沉降和位移做研究分析。

4.1 建筑物筏板角点沉降数值

对于基坑开挖完成之后，建筑物角点沉降值和基坑坑角到建筑物角点线上图，如图8和图9所示。可以得出基坑到建筑物之间地表沉降速度与两者之间的距离呈反比，对于建筑不同位置的角点来说，靠近基坑一侧角点沉降值大于远离基坑侧。

(a)

图9 建筑物角点沉降值

4.2 建筑物筏板变形分析

侧向位移：基坑开挖后地表土体发生侧向位移会带动建筑物筏板移动，如图10模拟数据表明靠近基坑侧的位移比远离基坑一侧要大。

竖向位移：基坑开挖后周围地表产生不均匀沉降，如图11模拟数据表面在靠近基坑开挖侧比远离侧的沉降要大，特别是坑角方位位移达到最大值，实际工程中一般采取增加围护桩的桩径来控制变形。

图10 基坑开挖后建筑物筏板侧向位移

图11 基坑开挖建筑物筏板竖向位移

5 结 论

结合淮北某高校项目中基坑开挖工程，基于MIDAS/GTS软件建立基坑和建筑物模型，分析基坑开挖完成后，建筑物筏板的位移变化特点，主要研究结论如下：

(1)根据数值模拟的结果均在监测方案报警值之内表明在软土地区基坑开挖时，采用依托的工程基坑支护方式能有效控制基坑内部变形引起的坑外土体沉降值，保障周围建筑物安全。

(2)随着基坑开挖深度逐渐增加，地表沉降显著增加，最大值发生靠近基坑开挖的墙边，对于软土地区的浅基坑开挖，其影响范围一般在3-4倍基坑开挖深度内。

(3)建筑物筏板不均匀沉降和水平位移主要是由于基坑开挖使得建筑物周围地表土体沉降引起的，建筑物筏板在靠近基坑一侧的沉降值较大，并且水平位移最大值也是发生在与沉降最值的同侧，因此在工程施工时应对基坑开挖侧沉降监测数值进行控制，保证基坑开挖合理正常。