高偉 張兵 高川

（1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650000；2.中建五局華南公司海南分公司，海南三亞 572000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展城市建設(shè)也不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程使得高層建筑與公共設(shè)施在深基坑中建設(shè)的數(shù)量空前增加，大量的高層與地下室工程必然涉及到深基坑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及開挖。一直以來深基坑的開挖就是綜合性巖土工程中的重點(diǎn)問題，既包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題、穩(wěn)定性和變形問題，又有土力學(xué)強(qiáng)度及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全問題。潘星羽［1］通過研究基坑施工對(duì)周圍環(huán)境的影響得出基坑開挖導(dǎo)致地表沉降，最大沉降發(fā)生在距基坑邊緣處，通過Flac3D進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)土體的位移隨著開挖深度逐漸增加，符合普遍規(guī)律；張如林等［2］以蘇州地鐵深基坑工程為研究背景，通過Plaxis3D 軟件模擬及計(jì)算分析基坑開挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)等對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，得出增加支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及支撐的剛度可以減小變形。通過對(duì)基坑開挖中土體水平、豎向位移、支護(hù)樁位移進(jìn)行分析，并利用Midas 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比分析，為類似工程提供一定參考價(jià)值。

1 本構(gòu)模型的選取

本構(gòu)模型的選擇是使用有限元軟件在進(jìn)行數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵［3］，在巖土工程中的數(shù)值計(jì)算時(shí)，必須要考慮到土體本構(gòu)模型，對(duì)于本構(gòu)模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者創(chuàng)建了百種模型，但對(duì)于巖土工程有很多模型并不完全適用。目前運(yùn)用在有限元分析軟件中的本構(gòu)模型只有很少的幾種，這幾種土體的本構(gòu)模型主要分成以下2 種［4］。分別是非線性彈性模型以及彈塑性模型。在基坑開挖工程分析中，非線性彈性模型并不適用，原因是在非線性彈性模型中，應(yīng)力的大小是隨著變形的變化而變化，并且始終不會(huì)達(dá)到破壞的狀態(tài)，土壓力還會(huì)與真實(shí)的情況有較大的出入。但是彈塑性模型并不會(huì)有此顧慮，因?yàn)樗鼘⑺械淖冃畏殖蓮椥院退苄? 種，在Midas 軟件中可用的本構(gòu)模型有十幾種，其中莫倫庫(kù)爾模型的破壞準(zhǔn)則較為準(zhǔn)確，并且數(shù)值分析較為成熟，莫爾-庫(kù)倫模型是一種彈性-理想塑性模型，它不僅滿足了胡克定律，而且遵循Coulomb 破壞準(zhǔn)則，模型中包含了線彈性模型中的5 個(gè)參數(shù)，分別是控制彈性和塑性的，控制彈性的2 個(gè)，控制塑性的3 個(gè)［5］。

2 工程概況

2.1 工程概況

擬建昆明匯都國(guó)際二期工程位于昆明市東風(fēng)東路南側(cè)，東側(cè)為湯井商務(wù)中心及體育局職工住宅樓，南側(cè)為金汁河景觀帶，西側(cè)為昆明匯都國(guó)際一期、建業(yè)商務(wù)中心及地礦局職工住宅樓，項(xiàng)目占地面積約2 hm2，總建筑面積約16.9 萬m2。建筑總高度均為100 m，地下室連通，開挖深度13.0 m，為多塔大底盤結(jié)構(gòu)體系，建筑結(jié)構(gòu)類型為框剪結(jié)構(gòu)，擬采用樁筏或樁箱基礎(chǔ)，其中筏基或箱基基礎(chǔ)埋深13.0 m，建筑安全等級(jí)為一級(jí)。

2.2 場(chǎng)地地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地位于昆明斷陷湖積盆地中部，屬?zèng)_湖積盆地地貌單元，原為城中村舊房，現(xiàn)已拆除整平，地面標(biāo)高1 891.31 ～1 893.89 m，相對(duì)高差2.58 m，地形平緩。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，場(chǎng)地地表以下66 m深度范圍內(nèi)揭露土層，按成因類型、土體工程性質(zhì)可劃分為5 個(gè)單元層、19 個(gè)亞層、8 個(gè)透鏡體，自上而下分別為第四系人工填土層、第四系沖洪積層、第四系沼澤沉積層、第四系沖湖積層、第四系湖積層，整個(gè)場(chǎng)地五大類成因類型的地基土，經(jīng)歷了4 個(gè)大的沉積旋回，土體顆粒由細(xì)至粗，由粗到細(xì)，相變復(fù)雜，形成典型的滇池盆地的沉積特征。

3 有限元計(jì)算模型

3.1 模型建立

為了讓模型與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件更相符合，需要具備一些如下的基本條件：

1）基坑土體的破壞準(zhǔn)則采用修正的摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

2）對(duì)建立幾何模型劃分網(wǎng)格，通常Hexa（六面體）Mesh的分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，因此使用HexaMesh。

3）預(yù)應(yīng)力錨索施工是通過激活錨索與支護(hù)樁旳交點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)集中力來實(shí)現(xiàn)。

4）對(duì)樁和錨桿分別用梁和植入式桁架單元進(jìn)行模擬。

5）根據(jù)基坑開挖的一般規(guī)律，在距離基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)距離為開挖深度以外的地方，土體的變形非常小，幾乎可以不考慮。所以本模型在定義模型邊界時(shí)，取開挖深度的3 倍。

6）考慮自重時(shí)，錨索相對(duì)于土體來說可以忽略。7）屬性定義，將支護(hù)樁、冠梁、腰梁定義成梁，同時(shí)認(rèn)為它們是彈性構(gòu)建，土體看作是實(shí)體。

3.2 材料與屬性的選取

在研究中發(fā)現(xiàn)修正莫爾-庫(kù)倫模型適用于所有類型的地基，特別是沙子和混凝土這種具有摩擦性的材料。為了明確反映樁與土的接觸，采用樁接觸單元去模擬樁與土的關(guān)系，并考慮腰梁與土的摩擦。將土體分為5 個(gè)土層，模型參數(shù)采用修正莫爾-庫(kù)倫模型參數(shù)如表1 所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所示。

表1 修正莫爾-庫(kù)倫模型參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

3.3 網(wǎng)格劃分

由于需要考慮實(shí)際工程中的基坑大小，在建模時(shí)要將周邊的建筑物考慮進(jìn)去，為了優(yōu)化模型將模型的邊界適當(dāng)擴(kuò)大。模型的厚度由建筑物樁基的長(zhǎng)度來定，模型通過二維進(jìn)行擴(kuò)展得到三維模型，最后對(duì)構(gòu)建好的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將各個(gè)土體的材料與屬性輸入，完整的三維網(wǎng)格模型如圖1 所示。

圖1 整體模型

4 施工工況

通過邊界約束對(duì)基坑模型進(jìn)行計(jì)算，將基坑的邊界條件設(shè)為靜力荷載?；硬捎玫氖菢跺^支護(hù)，并一邊開挖一邊支護(hù)。在模擬施工階段，根據(jù)“激活數(shù)據(jù)”和“鈍化數(shù)據(jù)”指令，以下是施工階段定義的簡(jiǎn)單說明。

邊界條件進(jìn)行規(guī)定時(shí)，左右兩邊的模型進(jìn)行固定，就是讓兩邊的水平位移為零，同樣的將模型的底部固定后，讓其豎向位移同樣為零。

第一工況，初始施工階段，將基坑內(nèi)的所有土層進(jìn)行激活，并將邊界條件與靜力荷載同時(shí)進(jìn)行激活，最后將“位移清零”選項(xiàng)勾上。第一階段用于計(jì)算巖土的原場(chǎng)地的初始應(yīng)力。因?yàn)閼?yīng)力分析假設(shè)原場(chǎng)地狀態(tài)為初始狀態(tài)，因此需要計(jì)算原場(chǎng)地應(yīng)力狀態(tài)。GTS NX 可采用自重分析來計(jì)算原場(chǎng)地的初始應(yīng)力。

第二工況，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，激活立柱樁基礎(chǔ)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬支護(hù)樁的施工，同時(shí)激活周邊建筑物。

第三工況，基坑第一次開挖，開挖后進(jìn)行支護(hù)施工，進(jìn)行錨索施工，將錨索荷載單元進(jìn)行激活以進(jìn)行模擬預(yù)應(yīng)力錨索施工，并同時(shí)把第一步開挖的土進(jìn)行“鈍化”以便模擬開挖的土體。

第四工況，基坑第二次開挖，開挖后進(jìn)行支護(hù)施工，進(jìn)行錨索施工，將錨索荷載單元進(jìn)行激活以進(jìn)行模擬，并同時(shí)把第二步開挖的土進(jìn)行“鈍化”以便模擬開挖的土體。

第五工況，基坑第三次開挖，第三次將基坑開挖到底，把第三步開挖的土進(jìn)行“鈍化”以便模擬開挖的土體。到此所有的施工階段完成。

5 開挖結(jié)構(gòu)模擬分析

5.1 水平位移模擬分析

在基坑開挖的過程中，基坑和周邊環(huán)境水平位移的變化見圖2—圖5 所示。

圖3 基坑第二次開挖水平方向位移云圖

圖4 基坑第三次開挖水平方向位移云圖

圖5 地連墻施工水平方向位移云圖

1）由圖2 可知基坑在第一次開挖中的最大水平位移為7.22mm，由圖3 可知基坑在第二次開挖中最大水平位移為7.28 mm，在最后一次開挖中的最大水平位移為5.78mm，地連墻的施工最大水平位移為9.68mm。

2）隨著開挖的深度越來越大，土體的位移也隨之增大，整體水平位移變化甚微。

5.2 縱向位移模擬分析

在基坑開挖的過程中，基坑和周邊環(huán)境縱向位移的變化見圖6—圖9 所示。

圖6 基坑第一次開挖縱向位移云圖

圖7 基坑第二次開挖縱向位移云圖

圖8 基坑第三次開挖縱向位移云圖

圖9 地連墻施工縱方向位移云圖

1）由圖6 可知基坑在第一次開挖中最大的水平位移為8.48 mm，由圖7 可知基坑在第二次開挖中最大縱向位移為9.76 mm，在最后一次開挖中的最大縱向位移為8.25 mm，地連墻的施工最大縱向位移為9.10 mm。

2）隨著開挖的深度越來越大，基坑在兩次開挖后縱向位移，坑底出現(xiàn)了部分隆起，是隆起量最大的部分，所以開挖越深越接近底部，基坑的沉降量就越大。

5.3 豎直方向位移模擬分析

在基坑開挖的過程中，基坑和周邊環(huán)境堅(jiān)直向位移的變化見圖10—圖13 所示。

圖10 基坑第一次開挖豎直向位移云圖

圖11 基坑第二次開挖豎直向位移云圖

圖12 基坑第三次開挖豎直向位移云圖

圖13 地連墻施工豎直方向位移云圖

1）由圖10 可知基坑在第一次開挖中最大的豎直向位移為7.13 mm，由圖11 可知基坑在第二次開挖中最大堅(jiān)直向位移為5.05 mm，在最后一次開挖中的最大豎直向位移為7.00 mm，地連墻的最大豎直向位移為9.28 mm。

2）通過三維數(shù)值模擬分析得知，基坑開挖越深，周邊土體及建筑沉降也不斷在增加，說明地表發(fā)生沉降是受到了基坑開挖的影響，隨著深度的增大沉降量也不斷的增大。

6 監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬分析

6.1 基坑頂部土體水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

在工程實(shí)踐中可知［6-7］，由于土體有應(yīng)變剛度特性，雖然較為微小，但在工程中不可忽略。土體的剛度和應(yīng)變的關(guān)系極其重要，特別注意的是在土體發(fā)生了一定的應(yīng)變，實(shí)際的土體剛度比實(shí)驗(yàn)中得到的剛度要大許多。在一般的巖土工程中，例如基坑及隧道等，對(duì)土體的應(yīng)變控制在0.01%～0.3%，對(duì)剛度與應(yīng)變之間的關(guān)系不能夠很好地體現(xiàn)出來，會(huì)對(duì)工程施工過程造成影響。而在對(duì)基坑進(jìn)行有限元分析時(shí)，如果忽略土體的剛度則會(huì)對(duì)基坑外沉降影響產(chǎn)生偏差［8］，所以在進(jìn)行模擬時(shí)，將土體的小應(yīng)變加以考慮?；娱_挖對(duì)土體的影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)如圖14 所示。

圖14 基坑頂部土體水平位移

從圖14 中可以看出基坑頂部土體水平位移隨著時(shí)間的增加而不斷增加。開挖基坑的過程中，土體的應(yīng)力得到釋放從而導(dǎo)致基坑周圍土體產(chǎn)生了變化，在土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到了一種應(yīng)力的平衡而逐漸減小。在基坑開挖的過程中，土體水平位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)趨近一致，實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中最大位移值為6.2 mm，而模擬的最大位移值為8 mm，這是由于模型建立時(shí)忽略了樁對(duì)剛度的影響。但在一定情況下，數(shù)值模擬減少了實(shí)際工程中很多問題。

6.2 基坑頂部土體豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

將監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，位移值變化相差不大，實(shí)際豎向位移變化值最大為5.4 mm，而模擬的位移值為6.52 mm，如圖15 所示。在120 d 時(shí)，實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生位移量達(dá)到最小值，但是在模擬分析中，可以看出模擬值比實(shí)際要大很多，所以在實(shí)際工程中還是會(huì)出現(xiàn)偏差?？梢钥闯瞿M與實(shí)際開挖存在一定的區(qū)別，但總體上發(fā)生的偏差較小，而模擬數(shù)值可為工程基坑開挖提供一定的參考價(jià)值。

通過實(shí)際數(shù)據(jù)與檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，模擬值都是大于實(shí)際監(jiān)測(cè)值。在進(jìn)行模型的建立時(shí)，只考慮到了鋼筋混凝土對(duì)樁的剛度影響，而忽略了素混凝土樁所起到的作用。在建立模型進(jìn)行模擬時(shí)咬合樁的剛度變小，從而導(dǎo)致土體的控制作用。有學(xué)者對(duì)咬合樁進(jìn)行研究探索，廖少明等［9］提出了將鋼筋混凝土與素混凝土搭配施工，將素混凝土的受力貢獻(xiàn)考慮進(jìn)去，得出素樁對(duì)咬合樁的承載力提高了50%左右，將咬合樁的工作狀態(tài)提升至52%，對(duì)于鋼筋混凝土來講，素混凝土樁加大了抗彎剛度。

7 結(jié)論

借助Midas 有限元數(shù)值分析軟件對(duì)基坑開挖建立三維模型并對(duì)工況數(shù)值模擬分析，研究基坑開挖對(duì)相鄰建筑物地表沉降的影響，得出以下結(jié)論：

1）將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)值分析結(jié)果明顯偏小，造成這種較低預(yù)值的原因有復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、豐富的地下水等因素，也有加固土層的人為因素及計(jì)算參數(shù)的選擇。如果要用數(shù)值模擬分析來預(yù)測(cè)及引導(dǎo)施工，則還需要進(jìn)一步的研究。

2）基坑土體隨著開挖深度的增大而增大，地連墻的施工同樣也隨著開挖深度的增大而增大，所以在開挖后為防發(fā)生更大的變形，對(duì)沉降變化較大的地方布置重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，時(shí)刻關(guān)注監(jiān)測(cè)信息以確保建筑物安全。