丁克偉，余有治

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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基于Midas深基坑開挖變形數(shù)值分析

丁克偉，余有治

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

摘要：合肥新交通大廈與軌道1、2號線相鄰，深基坑開挖需要考慮對鄰近既有建筑物、重要道路和地下設(shè)施的保護(hù)，對開挖的穩(wěn)定和變形控制要求非常嚴(yán)格。本文結(jié)合工程實例，通過Midas/GTS有限元分析軟件，對合肥新交通大廈深基坑開挖做了數(shù)值分析，分析了深基坑沉降和位移。在開挖的過程中，隨著開挖深度的增加，土體位移也越來越大?；娱_挖會造成基坑中部隆起以及基坑周邊的沉降，需要充分重視深基坑開挖造成的影響。

關(guān)鍵詞：深基坑；位移；沉降；數(shù)值分析

0引言

基坑變形包含支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、底部隆起以及基坑四周土體運動[1]。基坑開挖變化控制設(shè)計的難題是基坑周圍土體移動，大部分是因為支護(hù)結(jié)構(gòu)變形太大，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞或者造成周圍建筑物墻體開裂和倒塌。因此有必要探討土體運動和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形機(jī)制、坑底隆起機(jī)制?；娱_挖是荷載卸荷的過程,因為卸荷會造成坑底上覆壓力減小,造成土體有著向上的移動，導(dǎo)致圍護(hù)墻由于兩側(cè)壓力差的原因出現(xiàn)水平移動，引起基坑周邊土體出現(xiàn)移動[2]。開挖造成的土體運動的主要原因有兩個，一個是底部土體隆起，另一個是圍護(hù)墻的位移，本文主要研究坑底土體隆起。

坑底隆起是土體卸荷導(dǎo)致坑底上覆壓力逐步減小，引起土體應(yīng)力狀態(tài)改變。當(dāng)開挖深度較小時，底部土體出現(xiàn)彈性隆起[3]。當(dāng)圍護(hù)墻底是清孔良好的原狀土或注漿加固土體時，土體回彈會導(dǎo)致圍護(hù)墻升高[4]。底部中間是隆起的最大位置，底部隆起在開挖結(jié)束后也會結(jié)束。這類坑底隆起一般不會造成基坑周圍土體的運動?；娱_挖深度增大會使基坑內(nèi)外的土體高差逐漸加大，當(dāng)開挖深度達(dá)到一定程度，基坑內(nèi)部和外部土面高差所產(chǎn)生的加載以及地面各類超載會引起圍護(hù)墻外側(cè)土體向基坑內(nèi)移動，導(dǎo)致底部出現(xiàn)向上的塑性隆起[5-7]?；又車休^大的塑性區(qū)，會造成地面沉降?；勇∑鸬拇笮∨c基坑本身特點有關(guān)，還與基坑內(nèi)是不是有樁、基底是否加固、基底土體的殘余應(yīng)力等密切相關(guān)[8]。

1工程實例分析

1.1工程概況

新交通大廈位于勝利路與長江東路交口，軌道交通1、2號線交匯東南角。服務(wù)于交通廳和軌道交通運營控制中心。地塊用地面積約8468m2，建設(shè)規(guī)模約93200m2，其中地下共五層(含夾層)，地上40層，建筑高度180m。本工程基槽開挖深達(dá)26m，開槽范圍較大，在合肥地區(qū)屬于超深、超大的復(fù)雜基坑工程，且在基坑西側(cè)和北側(cè)的大東門站基坑緊密相聯(lián)及其它重要設(shè)施?；又ёo(hù)體系的設(shè)計需要滿足基坑邊坡穩(wěn)定，同時要把對鄰近設(shè)施的不利影響降到最低[7]。

1.2工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告提供的資料, 場地地層分布自如表1所示：

表1　土層計算參數(shù)

1.3模型建立

建模時，必須要與新交通大廈工程實際情況相結(jié)合，同時要考慮到地鐵1、2號線的影響，然后給模型施加適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，從而建立模型。建立Midas模型，在長為300m，寬為200m，高為90m的區(qū)域建立模型，計算模型會產(chǎn)生102432個單元，93716個節(jié)點。

1.4模型的邊界條件

模型的表面為自由面，其余五個面施加法向約束。

1.5開挖過程模擬分析

為了分析基坑對周圍土體和鄰近建筑物的動態(tài)影響，減少施工對周邊環(huán)境的影響，將通過以下幾個步驟進(jìn)行模擬分析。

(1)整個現(xiàn)場土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)模型的建立。

(2)在基坑開挖模擬前，對還沒有開挖的土體進(jìn)行自重應(yīng)力平衡計算，計算出土的初始應(yīng)力狀態(tài)。

(3)模擬基坑開挖，順次開挖，直至坑底。

2深基坑開挖MIDAS模擬結(jié)果分析

2.1基坑開挖的理論分析

由于基坑開挖，土體以前的應(yīng)力狀態(tài)會出現(xiàn)變化，應(yīng)力重分布。因為上面荷載出現(xiàn)改變，引起基坑底部土體受力不均，所以基坑底部出現(xiàn)一定的隆起[9]，周圍土體會因為土體朝上的位移而發(fā)生變化，基坑在土壓力的作用下，會出現(xiàn)一定的位移[10]。在開挖深度較小的情況下，底部是彈性隆起，特點表現(xiàn)為底部中間位置隆起最大，當(dāng)基坑較寬且開挖深度達(dá)到較大程度，發(fā)生塑性隆起，隆起大小會逐步從中間最大改變?yōu)閮蛇叴笾虚g小。不過對于狹窄的基坑或長條形基坑，仍表現(xiàn)為中間大，兩邊小。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》推出下列公式：

(1)坑周橫向最大地面沉降δv=α·δh，式中δh為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移，α為經(jīng)驗系數(shù)，α=0.7-1.0,當(dāng)δh≤5‰h0時，α可取0.7。

(2)基坑開挖橫向地面曲線各點沉降公式為

2.2深基坑開挖水平位移模擬分析

由圖1～5開挖水平位移圖可以看出在基坑的開挖過程中水平位移的變化情況：

圖1　第一次開挖水平位移圖

圖2　第二次開挖水平位移圖

圖3　第三次開挖水平位移圖

圖4　第四次開挖水平位移圖

圖5　第五次開挖水平位移圖

(1)由圖5知第一次開挖最大水平位移為9.30mm，第二次水平開挖最大水平位移為9.38mm，第三次開挖最大水平位移為23.34mm，第四次開挖最大水平位移為25.81mm，第五次開挖最大水平位移為23.95mm。

(2)隨著開挖深度逐步變大，基坑土體的水平位移也會增大。在前兩步開挖過程中，土體位移量較小，但是在后幾步的開挖位移量逐步增加。這是因為開挖引起的應(yīng)力重新分布，造成土體出現(xiàn)移動。

(3)在基坑開挖過程中，開挖深度的逐漸增大，同一點的水平位移也會增大。而且，開挖深度的變大也會導(dǎo)致最大水平位移從坡頂逐步移動到深基坑中下部。

2.3深基坑開挖縱向位移模擬分析

(1)由圖6-10知第一次開挖最大縱向位移為47.25mm，第二次開挖最大縱向位移為81.76mm，第三次開挖最大縱向位移為143.25mm，第四次開挖最大縱向位移為148.12mm，第五次開挖最大縱向位移為159.27mm。

圖6　第一次開挖縱向位移圖

圖7　第二次開挖縱向位移圖

圖8　第三次開挖縱向位移圖

圖9　第四次開挖縱向位移圖

圖10　第五次開挖縱向位移圖

(2)在基坑開挖過程中，垂直位移逐步增大，坑底會發(fā)生隆起現(xiàn)象，隆起量最大位置是中部，而越接近基坑，地表沉降量也逐漸增加。

(3)在開挖巖土體之后，改變了原有的應(yīng)力場，引起應(yīng)力再分布，周圍土體逐漸向下移動。

(4)隨著開挖深度的增加，深基坑側(cè)壁土體的沉降量也在增加，表明在深基坑開挖支護(hù)過程中，地表沉降受開挖的影響，開挖深度的增加會導(dǎo)致地表沉降也增加。

(5)開挖深度較小時，隆起量最大的位置在坑底中部，當(dāng)開挖到一定深度時，兩邊比中間大。

2.4深基坑開挖最大應(yīng)力模擬分析

從圖11-15可以明顯看出，深基坑的開挖會引起最大主應(yīng)力的變化，最大主應(yīng)力會慢慢增加，最大主應(yīng)力大部分發(fā)生在基坑底部，、應(yīng)力集中現(xiàn)象也會發(fā)生在底部。

圖11　第一次基坑開挖最大應(yīng)力圖

圖12　第二次基坑開挖最大應(yīng)力圖

圖13　第三次基坑開挖最大應(yīng)力圖

圖14　第四次基坑開挖最大應(yīng)力圖

圖15　第五次基坑開挖最大應(yīng)力圖

3結(jié)論

利用有限元分析軟件Midas對合肥新交通大廈深基坑進(jìn)行數(shù)值模擬，目的在于找出本工程基坑開挖變形機(jī)理，本文總結(jié)出下面幾點結(jié)論：

(1)有限元分析結(jié)果與理論分析的結(jié)果具有很好的一致性，說明Midas模擬基坑開挖是可行的。

(2)由于基坑寬大，開挖較深，在開挖過程中要充分考慮到基坑卸荷造成的土體回彈對基坑及周邊的影響。同時基坑中部受開挖卸荷的影響最大，發(fā)生的隆起也是最大。

(3)由于基坑開挖造成的應(yīng)力重分布，基坑的水平位移也隨基坑開挖深度的增大而增大，同一點的水平位移也逐漸增大，開挖深度的變大也會導(dǎo)致最大水平位移從坡頂逐步移動到深基坑中下部。

(4)地表沉降的增加，與深基坑開挖的邊緣遠(yuǎn)近有著密切關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，處于增加的趨勢，然后達(dá)到最大沉降，最后沉降漸漸減少趨于零。

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10徐楊青.論深基坑工程的概念設(shè)計[J].資源環(huán)境與工程,2006,S1:656-666.

Midas Numerical Analysis of Deep Foundation Pit Excavation Deformation

DING Kewei， YU Youzhi

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601)

Abstract:The Hefei New Traffic Ddifice is adjacent to orbital 1、2.It is necessary to protect nearby existing buildings, roads and underground facilities during deep foundation excavation. The stability of the excavation and deformation control are very strict. This paper, combining with the engineering example, through the finite element analysis software Midas/GTS, has made an numerical analysis of the Hefei New Traffic Edifice and it also analyzes the deep foundation settlement and displacement In the process of excavation, with the increase of excavation depth, soil displacement is becoming greater and greater. The central uplift of the foundation pit and settlement of the surrounding of the foundation pit will be caused by deep foundation pit excavation, therefore, the effects of deep foundation pit excavation should be attached with great attention.

Key words:deep foundation, displacement, settlement, numerical analysis

中圖分類號：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382(2016)01-001-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160101

作者簡介：丁克偉(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為計算力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程。

基金項目：安徽省科技攻關(guān)計劃項目資助(1501041133)

收稿日期：2015-06-23