Z大厦基坑开挖三维数值模拟分析

杜思思

(深圳市大升高科技工程有限公司，广东 深圳 518027)

1 引言

在东南沿海地区的城市建设中，为了节约土地资源，为了满足城市发展对土地资源的需求，不断地在海岸线进行大规模填海造地。高层建筑的基坑开挖深度也越来越大，而且呈现多层开发的趋势，城市地下工程建设已进入快速发展时期。然而回填原材料、方法及技术的差异，给后期基坑支护工程造成了不少麻烦[1]。

据统计，东南沿海填海区发生基坑破坏的主要原因为基坑支护设计不合理。近些年东南沿海的建设者们跟随时代发展的脚步不断探索填海区深基坑的新型设计方法，但是，对于新型支护结构，设计理论计算还在沿用传统的计算理论及方法，导致内力分析及变形控制不合理，甚至出现了较大的计算误差。因此，需要用非传统的计算方法对新型设计方法进行研究。但目前岩土工程设计师传统计算采用的是理正深基坑7.0软件，此方法在新型支护结构建模简化中存在较多缺陷。

对比前人的各种研究成果及方法：

李东海，王梦恕等[11]采用数值模拟与现场监测的方法对某基坑工程进行研究，通过对支护桩桩身深层水平位移、坑顶水平及竖向位移进行对比分析，并由对比分析结果进行支护结构的方案优化。

林鹏，王艳峰等[12]运用数值模拟的研究方法对双排桩和单排桩进行研究，通过双排桩与单排桩的内力及变形结果对比，得出双排桩相比单排桩具有弯矩小、刚度大的优点。

孙涛，刘俊岩[13]通过数值模拟分析支护结构的排距，根据监测数据对比分析桩身水平位移及弯矩，得出了在2～4倍的桩距时，支护结构控制变形的效果最佳。

古良[14]运用有限元对双排桩在基坑不同开挖工况进行数值模拟分析，根据数值模拟结果得出前排桩的水平位移大于后排桩，并通过监测数据对比证明数值模拟结果与监测数据吻合。

周进，王子涵[15]通过在不同开挖工况下运用有限元对双排桩挡土结构进行数值模拟分析，得出了在开挖过程中，前排桩的水平位移及弯矩最大，并分析了桩间土压力的分布特点。

本文采用MIDAS软件对基坑的实际施工过程进行动态模拟。模型采用莫尔-库伦Mohr-Coulomb弹理想塑性模型，以深圳市Z大厦基坑支护工程为例，此工程场地回填年限较短，填石层较厚且不均匀，回填土来源复杂、工程性质差异大，原地层存在淤泥软弱地层，并且场地地下水位受潮汐的影响，埋深较浅，增加了深基坑工程开挖以及降排水的技术难度；为提高设计结果的精度，保证基坑周边环境以及支护结构在基坑开挖阶段的安全；用有限元数值模拟分析得出结果并与现场实测数据进行对比分析，得到基坑开挖过程中本项目选用的衡重式双排桩受力特性、变形规律以及对坑外地面的变形影响情况；最后通过数值模拟分析排距、后排桩桩径及坑顶荷载对支护结构的影响规律，对今后该类深基坑工程具有借鉴价值。

2 工程概况

Z大厦项目位于深圳市南山区深湾地铁站南侧，北侧毗邻白石四道、地铁9号线、11号线和深湾地铁站，南侧毗邻滨海大道及辅路，西侧深湾四路，东侧毗邻深湾五路，内部现状正在进行基坑支护。本项目地块分南北两个基坑，基坑坑底标高为-6.0 m，基坑最大开挖深度约11.0 m。南侧基坑周长约为693 m，总面积约30435 m2，位于地铁9号线50 m范围线外，附近无重要管线及建筑；北侧基坑，周长约为472 m，总面积约10670 m2，位于地铁9号线、11号线50 m范围保护线内，基坑侧壁距离地铁9号线车站通道结构最近约5 m，距离地铁隧道11号线结构外边线最近约10.5 m。基坑支护平面监测点布置如图1所示。

图1 基坑支护平面监测点布置

本基坑较深，基坑支护段基坑深度约11.0 m，场地内填石层较厚，场地东侧、西侧基坑支护安全等级定为二级，其中北侧3-3剖面靠近地铁隧道基坑支护安全等级定为一级。本工程将基坑分为南北两地块,其中南地块先施工。南地块基坑周长约为693 m，总面积约30452 m2，根据周边环境及地质条件，基坑主要采用双排桩支护型式，基坑北侧分两级放坡采用土钉墙支护。北地块基坑周长约为572 m，总面积约10670 m2，基坑主要采用咬合桩+内支撑支护形式(图2)。

图2 南侧基坑支护2-2断面

考虑到施工造价和施工难易程度，基坑支护形式创新采用了前后双排桩设计，基坑内侧一排咬合桩(299条Ф1200@1800 mm荤桩、300条Ф1200@1800 mm素桩)，基坑外侧一排分布支护桩(150条Ф1200@3600 mm)。

双排桩顶设有500 mm厚钢筋混凝土压板；压板基坑侧设有300 mm厚钢筋混凝土挡板，内侧回填土方，坑顶护栏，坑顶/坑底水沟，集水井，桩间喷锚。

3 基坑开挖对周围环境影响的数值分析方法

3.1 有限元分析模型

采用岩土和隧道有限元分析软件midas GTS NX对Z大厦基坑开挖项目进行建模分析，土体采用三维土工有限元软件在不考虑水的影响(土水合算)的条件下模拟设计工况基坑开挖、支护过程，用以计算基坑开挖土体应力释放造成基坑周边环境变形。

3.2 材料本构模型及计算参数

基坑内支撑采用一维弹性杆单元模拟，基坑围护、楼板撑，各土层则假设为弹塑性体，材料的破坏准则采用莫尔-库仑准则，本构模型选用修正摩尔-库伦模型。分析模型以3～5倍的基坑深度距离为模型边界，模型底面为基坑底以下中风化岩，模型共有节点62731个，单元376960个。为了简化计算，本次模型模拟截取了南侧地层最不利一段进行建模分析(图3、图4)，模型外尺寸为11 m×40 m×31 m；基坑支护腰梁和支撑构件均采用一维梁单元，其截面形状和尺寸与实际结构完全相同；基坑支护桩采用等刚度代换后采用二维板单元代替，支护锚索采用一维植入式桁架单元。

图3 2-2’剖面段基坑建模模型

3.3 边界条件及荷载

计算模型中各垂直边边界条件为水平铰支约束，模型底面为竖向位移约束。各计算施工阶段边界条件不变。场地初始竖向应力场为土体自重σz+基坑边3.6 m处固定附加应力20 kp，水平向应力σx，按下式确定：

σx=K0(σz+20)

(1)

式(1)中，K0为静止土压力系数，全风化岩取0.35，强风化岩取0.18，中风化岩取0.1，其它土按下式计算：

K0=1-sinφ

(2)

3.4 基坑内地层条件

本场区地层自上而下土层分别为：第①层填石层，填石层平均层厚8.27 m，进行重型动力触探试验6.2 m，击数标准值8.0击；第②层淤泥质黏土平均层厚1.97 m，进行标准贯入试验21次，击数标准值2.0击；第③1层粉质黏土，平均层厚2.28 m，进行标准贯入试验8次，标准值13.0击；第③2砾砂，平均层厚1.60 m，进行标准贯入试验6次，标准值14.7击；第④层砾质黏性土，平均层厚13.2 m，进行标准贯入试验110次，标准值24.3击；第⑤层为燕山期花岗岩(γK1)，根据其风化程度可分为4个风化带：第⑤-1全风化花岗岩层、第⑤-2强风化花岗岩层、第⑤-3中等风化层和第⑤-4微风化层。典型地质剖面图见图5。

图5 南侧区域基坑边线地质剖面

3.5 建模时岩土体和构件材料强度参数取值

岩土体参数取值见表1。

表1 土体参数取值

3.6 有限元计算结果与实测值对比分析

模型选取了4个阶段的成果进行分析：第一阶段，开挖2.7 m；第二阶段，开挖6.3 m；第三阶段，开挖9 m；第四阶段，开挖10.8 m。

模型的土层情况自上而下分别为：①2填石6.3 m，②淤泥质黏土2.7 m，③1粉质黏土3.6 m，④砾质黏性土12.6 m，⑤1全风化12.6 m，⑤2强风化16.2 m。

针对SP20点进行模型模拟，从图6～图10可以得出土体水平位移变形结果：

(1)随着基坑开挖深度的增加，作用在支护结构上的土压力不断增大，坑外土体便向坑内移动，因此土体水平方向的位移逐渐增大。

(2)随着开挖深度的增加，坑顶水平变形的影响范围在变大。

(3)本项目坑顶的最大水平位移发生在基坑开挖第四阶段，大小约为34.85 mm，未超过坑顶水平位移允许值。

(4)模拟值与监测实际值基本一致。

从图11～图15可以得出模型模拟土体竖向位移变形结果：

(1)随着基坑开挖深度的增加，坑顶周围的土体向坑内移动的过程中产生地表沉降，沉降量伴随开挖深度增加和坑外超载的双重作用，坑顶周围的土体的最大沉降量在坑顶超载处。

(2)本项目坑顶的最大位移发生在基坑开挖第四阶段，大小约为5.8 mm，未超过坑顶竖向位移允许值。

(3)模拟值与监测实际值基本一致。

从图16～23可以看出模型模拟前排桩弯矩值：模型模拟后排桩弯矩值：

(1)前后排桩的反弯点位置不相同，前排桩反弯点位置在基坑底以下约1 m处，后排桩反弯点位置刚好在基坑底处。

(2)前排桩最大正弯矩值发生在坑顶以下7.8 m处，约为基坑开挖深度的2/3，而后排桩最大正弯矩值发生在桩顶处；前排桩最大负弯矩位置在基坑底以下约4.0 m处，后排桩最大负弯矩位置在基坑底以下5.0 m处；前后排桩桩端弯矩大小都为零。

(3)前排桩所受到的最大正负弯矩值比较接近，大小分别约1103 kN·m和984 kN·m；由于后排桩的桩距是前排桩的两倍，导致后排桩的正负弯矩相差较大，大小分别约为1960 kN·m、790 kN·m。

(4)由于衡重台的作用，前排桩的正负弯矩大小较接近，后排桩的正弯矩与负弯矩相差较大，前后排桩的桩身弯矩分布规律总体上出现较大差异。

4 结论

本文利用MIDAS GTS NX软件在对Z总部基地基坑东南侧2-2剖面建立三维模型，在建立模型过程中，对模型尺寸、土体材料本构模型及强度参数、边界条件及荷载作出合理的简化、假设及选取，进行数值模拟分析，解决了理正深基坑7.0对衡重式双排桩计算存在的缺陷问题。根据有限元计算结果对基坑开挖过程中双排桩支护结构的弯矩、深层水平位移以及坑顶水平与竖向位移的变化进行分析。

(1)本文通过有限元分析的手段解决了理正深基坑7.0在设计计算建模中对衡重台、后排桩桩距及嵌固深度无法布置的问题，从而提高了设计计算结果的精度。通过对本项目地质条件及基坑东南侧的2-2剖面进行研究，得出了：由于衡重台的作用，前排桩的正负弯矩大小较接近，后排桩的正弯矩与负弯矩相差较大，前后排桩桩身弯矩分布规律总体上出现较大差异。前后排桩桩顶和桩底均有一定的水平侧移，总体上前后排桩的变形为倾覆式变形。由于衡重台水平板的约束作用，前后排桩的桩身深层水平位移最大值基本相等，变形规律基本一致。支护结构深层水平位移、坑顶水平以及竖向位移最大值均在桩顶位置。

(2)通过有限元数值模拟计算结果与监测数据对比分析可知，在支护结构受力特征及变形规律对比分析中，得出了有限元分析结果与监测结果基本吻合。说明了本文采用的监测方案、有限元计算模型及选取参数均是正确的。