基于Midas GTS分析深大基坑開挖對鄰近建筑物的影響

顏 超

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著國家經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，特大型城市（如北京、上海、廣州等）基礎(chǔ)公共設(shè)施開發(fā)與建設(shè)開始逐漸趨于飽和，漸漸由城市建設(shè)向城市更新轉(zhuǎn)變；同時，由于城市用地資源的匱乏，地下空間的開發(fā)與利用的需要也日趨突出。因此，越來越多的基坑工程周邊環(huán)境相當復(fù)雜，保護要求也隨之提高。

目前，已有許多學者針對基坑開挖對鄰近建筑物的影響做了深入的研究。在基坑施工對鄰近既有設(shè)施影響方面，胡軍[1]、王明珉等[2]、劉松玉等[3]、張驍?shù)萚4]通過采用試驗、數(shù)值分析以及現(xiàn)場監(jiān)測等方法探索和研究了周邊樁基受基坑施工的影響，呈現(xiàn)了基坑開挖對鄰近樁基的影響機制；Shi等[5]、魏綱等[6]、鄭剛等[7]、姚愛軍等[8]分別采用解析解、室內(nèi)試驗及數(shù)值分析等方法探索和研究了基坑開挖全過程對緊鄰既有盾構(gòu)隧道所產(chǎn)生的影響，并進一步給出了相應(yīng)的保護技術(shù)和控制措施；張陳蓉等[9]、王成華等[10]、姜崢[11]、何小龍等[12]探索和研究了基坑開挖全過程對周邊既有管線的影響，并給出了相應(yīng)的變形控制標準和保護要求。

本文基于上海某綜合體基坑工程，通過應(yīng)用大型有限元軟件Midas GTS，對基坑開挖全過程對鄰近建筑物的影響進行了分析，從而為以后的工程使用類似的分析方法提供借鑒。

1 工程實例

1.1 工程概況

上海某綜合體項目位于上海市徐匯區(qū)，基坑總面積約5.6萬 m2，開挖深度6.75～12.80 m。其中，鄰近上海體育館南側(cè)的2區(qū)基坑開挖深度為12.50 m，上海體育館距離基坑邊線最近為3.4 m，如圖1所示。

圖1 工程平面示意

上海體育館基底埋深為地下3.7 m，樁基采用樁徑600 mm、有效樁長16.1 m的鉆孔灌注樁?；涌傮w施工方案采用順作法?；訃o結(jié)構(gòu)為：北側(cè)和南側(cè)采用厚1.0 m地下連續(xù)墻＋φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁槽壁加固并結(jié)合2道鋼筋混凝土支撐；東側(cè)和西側(cè)采用φ950 mm@1 150 mm鉆孔灌注樁＋φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁。鄰近上海體育館側(cè)基坑典型剖面如圖2所示。

圖2 工程典型剖面

1.2 地質(zhì)情況

本項目場地屬于古河道分布區(qū)，該區(qū)域土體主要以流塑黏性土為主，該類土體含水量較高、壓縮性較大，并且土體的力學性質(zhì)也比較差。本工程在基坑開挖范圍內(nèi)的土層分布如下：①填土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、④2-1粉質(zhì)黏土、④2-2砂質(zhì)粉土、⑤1粉質(zhì)黏土和⑤3粉質(zhì)黏土。

2 有限元模型

2.1 三維有限元模型

為分析基坑開挖與周邊建筑的相互影響，采用大型有限元軟件Midas GTS進行數(shù)值模型精細化模擬，由于本模型的計算分析體量較大，為提高計算精度和速度，對三維模型進行了一定的簡化，如圖3所示。

圖3 三維有限元計算模型

本模型包括實際土體、地下連續(xù)墻、圍檁、支撐、立柱（立柱樁）、小白樓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及上海體育館基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中小白樓和上海體育館上部結(jié)構(gòu)均轉(zhuǎn)換為實際荷載代替。各材料屬性見表1，泊松比均為0.2。

表1 單元材料屬性

2.2 土體本構(gòu)模型及計算參數(shù)

有限元法是分析基坑開挖與周邊環(huán)境相互影響的常用手段，該分析法的關(guān)鍵在于選取合適的土體本構(gòu)模型和合理的模型參數(shù)，修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型（即HS模型）是常用于基坑開挖數(shù)值分析的模型之一，適用于基坑開挖全過程中對周邊敏感環(huán)境進行分析[13]。

HS本構(gòu)模型有11個計算參數(shù)：有效黏聚力c，有效內(nèi)摩擦角φ，剪脹角ψ，剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m，卸荷再加荷泊松比vur，參考應(yīng)力pref，破壞比Rf，正常固結(jié)條件下的側(cè)壓力系數(shù)K0，三軸排水試驗的參考割線剛度E，固結(jié)試驗的參考切線剛度E，卸荷再加荷模量E。本模型土體參數(shù)見表2。

表2 土層計算參數(shù)

2.3 模擬工況

Midas GTS有限元軟件通過“激活和鈍化”單元來模擬整個施工過程，具體工況如下：STEP1，計算初始地應(yīng)力場；STEP2，計算周邊環(huán)境應(yīng)力場；STEP3，施工圍護結(jié)構(gòu)；STEP4，開挖至首道支撐底，并施工首道圍檁和支撐；STEP5，開挖至第2道支撐底，并施工第2道圍檁和支撐；STEP6，開挖至坑底。

3 計算結(jié)果分析

3.1 與實測數(shù)據(jù)對比

為確保有限元參數(shù)選取的準確性和合理性，將本基坑開挖至坑底時靠近上海體育館側(cè)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果進行比對，如表3、圖4所示。

表3 上海體育館地基梁沉降對比

從表3和圖4中可以看出，有限元分析結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果比較吻合，因此可以確定本文所建的模型中所選取的參數(shù)是準確、合理的。

圖4 有限元結(jié)果與實測結(jié)果對比

3.2 坑底被動區(qū)加固影響

本小節(jié)考慮了基坑被動區(qū)土體加固對基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、上海體育館地基梁沉降以及樁基側(cè)向位移的影響，如圖5～圖7所示，并微調(diào)了計算工況。

圖5 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

圖6 上海體育館地基梁沉降

圖7 上海體育館樁基側(cè)向位移

具體工況調(diào)整如下：STEP1，計算初始地應(yīng)力場；STEP2，計算周邊環(huán)境應(yīng)力場；STEP3，施工圍護結(jié)構(gòu)及被動區(qū)加固，開挖至第1道支撐，并施工第1道圍檁和支撐；STEP4，開挖至第2道支撐底，并施工第2道圍檁和支撐；STEP5，開挖至坑底；STEP6，施工2區(qū)結(jié)構(gòu)底板并拆除第2道支撐。

結(jié)合表3、圖4～圖6可以看出，對基坑被動區(qū)土體進行加固有利于改善圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，降低對周邊環(huán)境的影響。從圖5～圖7可以看出，施工2區(qū)結(jié)構(gòu)底板并拆除第2道支撐是最不利的施工工況，并且經(jīng)過基坑被動區(qū)加固后圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移最大值由0.9H（H為挖深）上移至0.7H處，這主要是由于在第2道支撐拆除后，已完成的結(jié)構(gòu)底板至第2道支撐之間的結(jié)構(gòu)未能夠及時回筑而造成的，因此，在現(xiàn)實施工情況下，應(yīng)在結(jié)構(gòu)回筑至最后一道支撐底時再拆除該道支撐，這與實際施工情況也相符合。

4 結(jié)語

本文基于上海某綜合體基坑工程，通過采用大型Midas GTS有限元軟件并選用HS本構(gòu)模型進行精細化建模，分析基坑開挖的全過程對鄰近建筑物的影響，將分析結(jié)果與現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，驗證了模型參數(shù)選取的合理性和準確性。在此基礎(chǔ)上，分析了基坑被動區(qū)加固及結(jié)構(gòu)底板回筑對圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形以及建筑物沉降的影響，從而為以后的工程使用類似的分析方法時提供借鑒。