陸仕淵

（南寧城建管廊建設(shè)投資有限公司維護分公司，南寧 530219）

0 引言

當前城市土地資源日漸短缺，人們逐漸開始利用城市地下空間以及研究超高層建筑技術(shù)，其中地鐵隧道的建設(shè)大大緩解了地面交通壓力，而地鐵站的建設(shè)又是城市地下空間開發(fā)目的之一，造成基坑工程與日俱增的同時，基坑施工過程中必定會改變周圍土體原有的應(yīng)力場和位移場，從而引起周圍土體、建（構(gòu)）筑物以及地下管線的變形，對建（構(gòu)）筑物的正常使用和人們的生命安全構(gòu)成危險。因此，在深基坑工程中也有諸多問題迫切需要解決，而且由于對建筑的高度、安全性等性質(zhì)的要求越來越高，往往需要從新的角度來解決在深基坑開挖過程中遇到的各類難題，由此產(chǎn)生了許多新的經(jīng)驗、理論以及研究方法［1］。在巖土體相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)值分析應(yīng)用中，主要有有限拆分法、有限單元法、半解析元法、離散單元法等［2］。其中有限單元法為大多學者所采用的，能夠選擇合理的材料本構(gòu)模型以及設(shè)置復(fù)雜的邊界條件，尤其可以有效地解決各類非線性問題以及適用于各種非均質(zhì)各向異性材料。同時，有限單元法可以考慮基坑施工全過程中的時空效應(yīng)［3］。由于基坑工程在開挖施工期間，其圍護結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的位移，并且基坑底部與周邊地表都會發(fā)生一定的變形，倘若變形值超過設(shè)計限值則會導致基坑失穩(wěn)，周圍建筑也會收到影響，產(chǎn)生一定程度的開裂，從而引發(fā)基坑工程事故［4］。而在施工中，地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性也會直接影響整個建筑物的安全性，特別是建筑物建造在斜坡上時，地基土可能會發(fā)生整體或局部剪切破壞，因而喪失穩(wěn)定性［5］。此類事故一旦發(fā)生，造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡往往十分巨大，因此數(shù)值模擬技術(shù)在基坑工程中占據(jù)著十分重要的地位，以此使得基坑開挖施工更為安全、經(jīng)濟。

有限元軟件MIDAS/GTS 集合了目前常用的巖土隧道分析軟件的優(yōu)點，包括了非穩(wěn)定滲流分析、施工階段分析、非線性彈塑性分析、滲流-應(yīng)力耦合分析、固結(jié)分析、動力分析等，適用范圍十分廣泛［6］。鑒于此，文中采用MIDAS/GTS對基坑開挖與支護全過程進行數(shù)值模擬，土體采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性模型，計算模型模擬了初始地應(yīng)力場和地下連續(xù)墻施工等因素影響，對全過程“順作法”基坑開挖與支護進行模擬，并對地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)的變形和坑頂土體變形進行分析。

1 工程概況

某大廈由兩幢分別為16 層和19 層的辦公樓和1幢22層的酒店組成，均設(shè)置兩層地下室，如圖1所示，整個場地基坑面積約為147000m2。根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，北側(cè)建筑物地下室已經(jīng)施工完畢。工程場地周邊都是市政道路，因此在基坑工程施工過程中需要對其進行保護，但根據(jù)市政管線圖顯示，該場地周邊市政管線較少，且沒有煤氣管線以及大直徑水管等需要特別保護，基坑圍護方案采用常規(guī)做法即能滿足環(huán)境保護要求?；娱_挖影響范圍的主要土層及其物理力學指標如表1所示。

圖1 周邊環(huán)境及支護方案總平面布置

表1 土層物理力學指標

2 基坑圍護結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

2.1 總體方案及圍護結(jié)構(gòu)選型

綜合工程的開挖深度、基坑面積和周邊環(huán)境的保護要求以及軟土層厚度，基坑工程總體方案采用“順做法”設(shè)計施工方案。圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計中在考慮圍護體安全的同時要嚴格控制圍護體的變形，以保護周邊的環(huán)境。圍護結(jié)構(gòu)采用“兩墻合一”的地下連續(xù)墻，即基坑圍護墻兼作主體工程地下結(jié)構(gòu)的外墻。

2.2 水平支撐體系方案選型

對于工程開挖深度和規(guī)模的基坑，考慮到基坑工程開挖深度與總工程面積較大，使用鋼支撐會出現(xiàn)較大的變形，對基坑整體變形控制不利。并且基坑工程辦公樓區(qū)域形狀相對不規(guī)則，利用鋼支撐不利于整體的受力和穩(wěn)定性。因此，綜合考慮，方案設(shè)計采用鋼筋混凝土水平支撐體系方案。具體水平支撐體系如表2所示。

表2 水平支撐尺寸

2.3 立柱與立柱樁

工程中采用臨時鋼立柱及柱下鉆孔灌注樁作為水平支撐系統(tǒng)的豎向支承構(gòu)件，鋼格構(gòu)立柱在穿越底板的范圍內(nèi)需設(shè)置止水片。立柱樁盡量利用主體結(jié)構(gòu)工程樁，其中加打立柱樁均為700 的鉆孔灌注樁，樁頂4m 范圍內(nèi)擴大為800。樁身混凝土強度等級C30（水下澆筑混凝土提高一級）。立柱樁長度為22m，保證進入持力層不少于2m。

3 建模及工況模擬

3.1 計算模型與參數(shù)選取

工程借助MIDAS/GTS 進行建模，結(jié)合周邊情況，設(shè)置相應(yīng)邊界條件，建立三維基坑開挖有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

整個模型采用混合網(wǎng)格劃分，土體選用Mohr Coulomb 模型作為本構(gòu)模型，使用三維實體單元進行劃分。而水平支撐體系與立柱等采用線彈性本構(gòu)模型，使用梁單元劃分。作為圍護主體的地下連續(xù)墻使用板單元劃分。

3.2 施工工況模擬

基坑工程采用順做法施工，即維護體采用傳統(tǒng)的板式圍護結(jié)構(gòu)+臨時內(nèi)支撐的形式，其中板式圍護結(jié)構(gòu)選用地下連續(xù)墻，而臨時內(nèi)支撐則采用混凝土支撐。施工時先打樁，再施做周圍地連墻，在開挖一層后便施做內(nèi)支撐，隨后進行下一層的開挖。整個過程通過Midas/GTX軟件中的“激活”與“鈍化”指令來進行模擬施工過程中的各步驟。主要施工階段情況如下：

（1） A0：設(shè)置邊界條件，地應(yīng)力平衡。

（2） A1：施加自身荷載，位移清零。

（3） A2：設(shè)立柱樁，深度達地下-22m。

（4） A3：設(shè)立地連墻，深度達地下-22m。

（5） A4：開挖第一層土，開挖基坑第一層土體至-2m。

（6） A5：施工第一道支撐，在-2m位置處設(shè)第一道圍檁和第一道混凝土支撐。

（7） A6：開挖第二層土，開挖基坑第二層土體至-7.1m。

（8） A7：施工第二道支撐，在-7.1m 位置處設(shè)第二道圍檁和第二道混凝土支撐。

（9） A8：開挖第三層土，開挖基坑第三層土體至-10.2m。

4 計算結(jié)果

4.1 地下連續(xù)墻應(yīng)力分析

在工況A8開挖完成后，整個基坑開挖結(jié)束，地下連續(xù)墻的應(yīng)力云圖如圖3 所示，并根據(jù)不同開挖步驟下地下連續(xù)墻的，繪制出變化曲線，如圖4所示。由圖4 可知，地下連續(xù)墻的水平位移隨開挖深度的變化而產(chǎn)生較為顯著的變化?；娱_挖深度越大，其最大側(cè)位移越大，地下連續(xù)墻最大水平位移均出現(xiàn)在基坑地連墻的拐角部以及較長邊的中部，其上部以及底部位移均偏小。分析原因，可發(fā)現(xiàn)基坑開挖后，墻后土體會產(chǎn)生不斷增長的土壓力，對于基坑壁也會產(chǎn)生較大壓力，而及時施工的支撐將會對地下連續(xù)墻頂部的位移產(chǎn)生一定約束。

圖3 工況A8地下連續(xù)墻水平位移云圖

圖4 各工況下地連墻水平位移最大值變化曲線

4.2 土體坡頂沉降分析

圖5所示為基坑開挖完成后坑頂土的豎向位移云圖。同時，各個工況下坑頂土的豎向位移曲線變化如圖6所示。從圖5和圖6可以得出，基坑正在開挖，并且尚未施做支撐時，坡頂沉降變化較大，而在支撐施加之后，坡頂沉降變化偏小，趨于穩(wěn)定。這是由于在支護條件下所施加的支撐對土體產(chǎn)生了約束作用，限制了坑頂土體的豎向位移。

圖5 開挖完成后坑頂土豎向位移云圖

圖6 坑頂土最大豎向位移值變化曲線

4.3 地連墻隨深度的變形特征

圖7所示為地下連續(xù)墻水平位移隨基坑開挖深度加深的變化。由圖7可知，第一次開挖完成后，地下連續(xù)墻水平位移較小，且各個深度處的水平位移變化不大。而第二次與第三次開挖完成后，地下連續(xù)墻水平位移變化較大。說明隨著開挖深度的加深化，地下連續(xù)墻水平位移值發(fā)生的變化較為顯著，會逐漸增大。在開挖深度達到-10.2m時，位移達到最大值。

圖7 地連墻水平位移隨開挖深度變化曲線

5 結(jié)語

文中采用有限元分析軟件MIDAS/GTS，并結(jié)合工程實例，建立了基坑開挖的有限元分析模型并進行了計算分析，通過后處理功能提取相應(yīng)的應(yīng)變位移等數(shù)據(jù)，并詳細進行了地下連續(xù)墻的變形分析，和坡頂沉降分析，得到如下結(jié)論：

（1） 開挖深度變化對地下連續(xù)墻的應(yīng)力值影響較明顯，但在地下連續(xù)墻嵌固深度范圍內(nèi)變化較小。

（2） 地下連續(xù)墻的最大水平位移隨著基坑開挖深度加深逐漸增加，且最大水平位移對應(yīng)的深度也隨之下降。同時，最大水平位移對應(yīng)的位置均出現(xiàn)在基坑較長邊的中部以及大轉(zhuǎn)角處，而地下連續(xù)墻底部與中部出現(xiàn)的水平位移二者相差較大。

（3） 地面沉降量值受基坑開挖深度的加大也不斷增加，并顯示出一個明顯的“沉降盆”，即在距離基坑邊緣到達某一最大值，距離基坑越遠，地表沉降越小，這與工程實測數(shù)據(jù)具有相同的規(guī)律。