基于MIDAS GTS NX对基坑变形的影响分析

谷文倩，吕秋玲，汪东林

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230000)

0 引言

由于城市内涌现出大量建筑物，这使得拟建工程与周边原有的建(构)筑物之间的关系变得复杂，因此在建设前期必须要考虑新建建筑物基坑开挖是否会对周边建筑物造成影响[1].邻近建筑物的变形与基坑围护结构变形以及基坑底部隆起密切相关[2]，本文从研究围护结构变形与基底隆起入手，以合肥市某写字楼基坑开挖工程为背景，利用MIDAS GTS NX软件,根据场地的地质地貌和周边环境条件、基坑支护方案，探究基坑围护结构与基坑底部的变形机理，保证基坑开挖过程的稳定，并求解对邻近建筑的扰动降至最小的方案.

1 基坑工程概况

1.1 工程概况

该工程位于安徽省合肥市写字楼基坑，基坑长45 m，宽25 m，开挖深度12 m.基坑旁边有邻近建筑物A、B、C3座，建筑物A和建筑物C距离基坑16 m，建筑物B距离基坑24 m.建筑物平面尺寸为25 m×10 m，建筑物高度32 m.采用地连墙与内支撑、锚杆的基坑复合支护形式，地连墙高度15 m，厚度0.8 m.该写字楼基坑开挖分4步，每步开挖3 m.在基坑竖直方向0 m、-3 m、-6 m、-9 m处依次布设4道支撑，前3道支撑采用砼支撑，第4道采用锚杆.

1.2 水文地质概况

场地的地形地貌系江淮丘陵向长江平原的过渡地带，属于北亚热带湿润季风气候区，年平均降水日数为121天.根据钻探分析结果，该场地土质有粉质粘土夹粉土、粉土、粉质粘土和强风化粉砂质泥岩，具体如下分析：

(1)粉质粘土夹粉土.韧性低，富有铁锰质结核、氧化铁等，该层土全场分布，平均厚度约5 m；

(2)粉土.韧性低，稍密，主要由粘粒和粉粒组成，含铁锰氧化物，该层土在场地大范围分布，平均厚度约12 m；

(3)粉质粘土.硬塑状，稍有光泽，含黑色铁锰质结核，该层土全场分布，平均厚度约12 m；

(4)强风化粉砂质泥岩.层状结构，岩体完整性较差，内含矿物成分石英、云母等，该层土质遍布整个场区，平均厚度约13 m.

土体计算参数如表1所列，模型材料参数见如2所列.

表1 土体计算参数表

表2 模型材料参数

2 基坑的数值模型

2.1 MIDAS GTS NX介绍

MIDAS GTS NX是一款有限元分析软件，它主要服务于岩土和隧道等学科领域[3]，在国外率先得到了开展应用，自2005年被引入国内以来，在桩基布设、隧道掘进、边坡工程、基坑工程、矿山安全、地铁开挖、水利工程等各种实际工程中广被广泛应用[4-5]，在实际工作和相关科研工作中发挥了极大的作用.

2.2 参数设置与施工阶段模拟

修正摩尔库伦模型考虑加载和卸载时弹性模量不同[6]，与摩尔库伦模型相比，它避免了采用弹性模量的假设去考虑开挖卸荷过程中土体的回弹模量和压缩模量，从而保证了计算的精确度.故本工程岩土材料采用修正摩尔库伦模型，结构材料选用弹性本构模型[7].

根据具体情况，模型尺寸为X方向150 m，Y方向105 m，Z方向42 m.为了更贴合实际，选用混合网格生成器，定义施工阶段为：初始应力分析、地连墙+立柱、开挖1+支撑1、开挖2+支撑2、基坑降水、降水稳定、开挖3+支撑3和开挖4+支撑4.根据以上分析参数设置构建的三维模型如图1所示.

图1 基坑开挖轴视图

3 模拟结果与数值分析

3.1 地连墙整体坐标系水平方向的位移

随着基坑的开挖，地连墙的水平横轴方向位移不断增加，其水平横轴位移如图2所示.开挖第1层土时，地连墙横轴方向最大位移为0.5 mm；开挖第2层时，地连墙横轴方向最大位移为1.7 mm；开挖第3层时，地连墙横轴方向最大位移为3.3 mm；开挖第4层时，地连墙横轴方向最大位移为5.8 mm.根据图2可知，地连墙横轴方向水平位移最大处主要在基坑开挖深度的8/20～13/20处，在地连墙的中上部，且其变形点线图呈明显的“中凸型”，地连墙的顶端与底端变形较小.

图2 不同工况下地连墙的横轴方向位移

与水平横轴方向的位移变化相似，地连墙水平纵轴方向位移也大致呈“中凸型”，且纵轴方向位移与基坑开挖层数正相关，纵轴方向位移情况如图3所示.开挖第1层土时，地连墙水平纵轴方向最大位移为1.2 mm；开挖第2层时，地连墙纵轴方向最大位移为1.6 mm；开挖第3层时，地连墙纵轴方向最大位移为2.3 mm；开挖第4层时，地连墙纵轴方向最大位移为3.9 mm.根据图3可知,地连墙纵轴方向水平位移最大处主要在基坑开挖深度的6/20～7/20处，在地连墙的中上部，与横轴方向位移一致，地连墙的顶端与底端变形较小.因为受到邻近建筑物的影响，地连墙靠近建筑物的一侧变形更大，施工时需要注意.

图3 不同工况下地连墙的纵轴方向位移

通过MIDAS GTS NX的模拟，可以发现如下规律：随着写字楼基坑不断向下开挖，地连墙的水平位移出现了不断增加的趋势[8]，最大水平位移位置逐渐下降.

3.2 地连墙厚度对围护结构水平位移的影响

邻近建筑物的变形与围护结构的变形密切相关，控制好围护结构的位移是至关重要的.固定其余参数，从改变地连墙厚度的方面来探究围护结构变形的规律，并用有限元软件模拟试验，在X方向位移变化如图4所示，随着地连墙厚度增加，其位移不断减小.地连墙厚度从0.6 m增加到1.2 m时，对应工况下最大水平位移分别降低0.1 mm、1.4 mm、2.3 mm和2.1 mm，效果明显.地连墙厚度从1.2 m增加到1.6 m时，对应工况下最大水平位移分别降低0.1 mm、0.1 mm、0.2 mm和0.2 mm，区别不大.

图4 不同厚度地连墙的X方向位移图

通过上述分析可以得到：增加地连墙厚度可以控制围护结构位移，但是这种控制是有限度的，当地连墙厚度达到1.2 m 后再增加厚度，其变形基本不变.因为基坑未开挖时，土体处于应力平衡状态，随着工况的开展，围护结构内部土体不断减少，这使得地连墙内外土体产生了一个高程差，地连墙外侧土体有向坑内移动的趋势，从而挤压地连墙向基坑内部弯曲产生位移，故增加地连墙厚度可以抵御这种位移.影响围护结构位移的因素有很多，如基坑开挖卸荷和周边环境都是不能忽略的影响因素，因此单方面增加地连墙厚度不可能无限度减少位移.

3.3 坑底土体隆起

基坑土体隆起指的是在基坑开挖过程中，由于坑内土体减少，坑底土体应力释放而引发的一种现象.坑底土体隆起可以分为两大类，分别是弹性隆起和塑性隆起.弹性隆起一般发生在基坑开挖深度较浅时，它的特点是中间高两边低，大致呈山峰型.弹性隆起，顾名思义，它是一种可以恢复的变形，持续时间较短，一般来说，开挖结束后会恢复.当基坑开挖深度不断增大，就会产生变形形式呈波浪形的塑性隆起，这种变形不能消失[9-10].

根据有限元软件，计算出基坑隆起值是26.3 mm，基坑最大位移位于中部，两边位移不断减小，本工程基底隆起结构如图5所示.

图5 基底隆起

为验证模型计算结果的可靠性，引入基底隆起值经验计算公式进行对比分析，公式如下：

(1)

(2)

式中，δ表示基坑隆起量(cm)；γ表示土体重度(t/m3)；H表示基坑开挖深度(m)；ρ表示地表超载(t/m3)；C表示土的粘聚力(kg/cm2)；φ表示内摩擦角(°)；D表示墙体入土深度(m).

将模型代入计算公式，得到基坑坑底隆起28.1 mm，与Midas GTS NX软件计算结果相比，经验公式得到的计算结果略大，这是因为经验公式未考虑坑底垫层施工及空间效应对坑底隆起的影响，但是两种结果都符合要求.

4 结语

本文针对合肥市某写字楼基坑工程开挖涉及的问题，采用有限元数值模拟法和经验公式法对比分析，得到以下结论：①随着基坑的不断开挖，地连墙的水平位移按工况逐级增大，最大位移SMAX出现在基坑开挖有效深度的1/5～1/2；②通过改变地连墙厚度研究围护桩结构参数对基坑变形的影响，经过有限元软件模拟可知，在1.2 m范围内增加厚度对基坑变形有一定控制效果；③Midas GTS软件计算出的基坑隆起结果与经验公式计算结果基本吻合.