基于Midas的基坑变形与影响因素分析

陈颖辉 汪凡茗 欧明喜,2 王文举

（1.昆明理工大学建筑工程学院,云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防灾重点实验室,云南 昆明 650500）

一、引言

随着城市化进程加快，基坑工程的发展有了规模大、开挖深、支护形式多样化等新特点，因此，在工程建设中存在的一些问题也日益突出，基坑变形特性及对周围环境的影响因素一直是工程建设中被重点关注的问题。本文结合云南省昆明市雅府嘉苑项目，使用有关结构设计有限元分析软件（MIDAS）实施模拟，分析基坑及坑后地表沉降变形规律，以便为类似工程方案优化提供参考借鉴。

二、工程概况

（一）工程简介

该工程位于云南省昆明市五华区茭菱路与春晖路交叉口的东南侧，场地北侧为茭菱路，东侧为大理公馆，南侧为昆明学院西二院两栋家属楼，西侧为春晖路，区位优势明显，交通十分便利。拟建设项目用地面积达7648.08m2，规划有2栋26（30）层主楼和四层裙房，总建筑面积51577.4m2，为框架剪力墙结构，管桩基础。项目设置两层地下室，基坑开挖深度为10.7m～11.2m，基坑周长为332m，基坑整体约为长方形，边角处不规则。

（二）工程地质条件

拟建场地较为平整开阔，处于昆明断陷盆地的西部，属冲湖积盆地地貌。勘探孔口高程在1889.89m～1890.13m之间，最大高差为0.24m。根据地勘报告，填土、黏土、粉土、粉质黏土层为影响基坑支护设计的主要土层，地质剖面如图1所示。

图1 地质剖面

（三）水文地质条件

地下水类型主要为上层滞水及孔隙型潜水两类，前者主要赋存于杂填土中，动态变化较大，主要受季节、降水影响，赋水性弱；后者主要赋存于各粉土层中，赋水性较好，受大气降水、地表水的入渗补给和控制。

（四）原基坑支护设计方案

基坑采用“混凝土灌注桩+二道钢筋混凝土支撑体系”支护，开挖深度为11.2m。基坑开挖深度超过10m，根据《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202-2002)可知，该基坑安全等级为一级。地面冠梁层设置第一道内支撑，第二道距离第一道内支撑为4.8m。支护桩根据周边环境差异，分别采用直径为800mm和1000mm两种规格的灌注桩，嵌固深度为6.8m，桩间距为1.4m。基坑北侧和西侧为道路，支护桩采用直径800mm的长螺旋灌注桩，基坑南侧和东侧紧邻小区建筑，为该基坑的支护重点，支护桩采用1000mm直径的旋挖灌注桩。

图2 支护结构剖面

三、原方案数值模拟结果

该工程采取刚度等效公式将围护桩转换为地连墙，东南侧厚0.63m，西北侧厚0.58m，通过地连墙的变形特性以表征围护桩的变形规律，桩长18m，格构柱长14.6m，基坑开挖11.2m，采用修正摩尔库伦本构模型，土层主要参数如表1所示：

表1 土层物理力学指标

（一）基坑周边地表沉降

选取基坑北侧地面，观察基坑周边地表沉降趋势，如图3和图4所示：

图3 基坑北侧地表沉降取值位置

图4 基坑周边地表沉降曲线变化

图像显示，基坑周围地表沉降曲线呈凹陷型，与高斯分布曲线理论一致。基坑周围地表最大沉降值为12.6mm，而距离基坑边6.1m处实际的测量数值为18.16mm，为基坑开挖深度的0.55倍。

通过观察曲线可知，基坑对于周围地表的主要影响范围为21m左右，约为基坑开挖深度的2倍，超出范围区域，为次要影响区。

（二）支护结构水平位移

地下连续墙的水平位移曲线以表征围护桩的变形分布特征，如图5和图6所示：

图5 地下连续墙变形云以及线上分布特征

图6 围护结构水平位移变化曲线

由上图数据可知，当基坑没有开挖处于工况-2时，桩体只产生了微弱的水平位移，分布没有明显的变化。当铺设第二道内支撑后，桩体的水平位移分布曲线呈现出“弓形”趋势，产生了最大水平位移为12.66mm，实测值为15mm，位于桩长7.2m处；工况-6时，桩体在位于桩身8.1m处产生的最大水平位移为21.88mm，实测值约为32mm。虽然通过模拟得出的数据与实际监测数据存在一定的差异，但是总体变化趋势是大致相同的，足以验证模拟的可靠性。

四、基坑影响因素分析

在工程的数值模拟过程中，主要分析桩体的嵌固深度、内支撑的竖向间距和内支撑的刚度3项因素对工程的影响。

（一）桩体嵌固深度的影响性分析

研究桩体的嵌固深度对于基坑工程及周围环境的影响，分别选取3.4m、5.1m、6.8m、8.5m、10.2m和11.9m几种嵌固深度，建立有限元模型得到周围地表沉降的分布曲线如图7所示：

图7 嵌固深度对周围地表沉降影响曲线

根据图中数据可知，嵌固深度对于基坑周围地表沉降存在一定影响，随着嵌固深度的增大，坑后地表最大沉降逐渐变小，但是一味地增大桩体嵌固深度并不能保证改善效果的持续性，当嵌固深度超过某一上限值时，地表最大沉降值减小的速度开始降低，可见嵌固深度对于地表沉降的改善效果是有限的。

（二）内支撑竖向间距的影响性分析

该项目基坑的开挖深度为11.2m，第一道内支撑位于地表冠梁层，第二道内支撑与第一道内支撑间距为4.8m，为研究内支撑竖向间距对于周围地表沉降和围护桩变形的影响，本文选取了3.2m、4.8m、6.4m和8m几种内支撑竖向间距，建立有限元模型得到曲线，如图8所示：

图8 内支撑间距对周围地表沉降影响曲线

由上图数据可知，基坑周边地表沉降的分布特征呈凹陷型趋势，最大沉降值出现在与坑边距离约0.55倍的基坑开挖深度处。当内支撑的竖向间距为3.2m时，周边地表最大沉降值为12.08mm，当内支撑竖向间距变化为8m时，最大沉降值约为13.98mm，可见随着内支撑竖向间距增大，周围地表的沉降值也在不断增大，但内支撑竖向间距对于沉降的改善效果也存在上限。

（三）内支撑刚度的影响性分析

研究内支撑刚度对于基坑围护桩以及周围环境的影响，通过调整Midas输入参数，以该项目原有刚度为基准，将工况选取为基准刚度的倍数，分别设置为：0.4EI、0.6EI、0.8EI、1EI、1.2EI和1.4EI。内支撑刚度变化对于基坑周边地表沉降值影响分布特征曲线，如图9所示：

图9 内支撑刚度对周围地表沉降影响曲线

由图中数据可知，当内支撑刚度增加时，会减少基坑周围地表的沉降值。当刚度为0.4EI时，基坑周边地表最大沉降值约为17.71mm，而当刚度增加到1.4EI时，最大沉降值则约为10.96mm，说明内支撑刚度的变化对坑后地表沉降值具有一定影响。

五、结语

综上所述，在一定区间范围内，嵌固深度对基坑周边地表最大沉降值的改善程度减少了11.68%，随着参数的变化，桩体嵌固深度、内支撑竖向间距和内支撑刚度三项因素对基坑周围地表沉降的改善效果呈逐渐降低趋势；内支撑间距调整能够减少约2.92%的基坑地表沉降，内支撑刚度调整能够减少11.76%的基坑地表沉降，可见对基坑稳定性及周围环境影响最大的因素为内支撑刚度；随着基坑开挖，周围地表沉降曲线由平缓变化转换成凹陷型的分布特征曲线，最大沉降值出现在与坑边距离约6.1m处；工程施工主要影响区间大约为2倍基坑深度，最大沉降值出现的位置约为0.55倍基坑深度；通过模拟值与实际监测数值对比，证明有限元模拟虽然在数值上跟实际数据具有一定差别，但其变化趋向是相似的，即通过MIDAS建立有限元模型模拟基坑开挖过程是可靠的。