连续阳角型基坑开挖对临近建筑物影响的有限元分析

王迪，李大华，张俊龙，汪亚林

连续阳角型基坑开挖对临近建筑物影响的有限元分析

王迪，李大华，张俊龙，汪亚林

（安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230601）

以合肥市某小区住宅的基坑工程为依托，通过MIDAS GTS NX进行有限元模拟，分析研究连续阳角型基坑相邻阳角角度同时变化对临近建筑物的变形影响。研究结果表明，随着相邻阳角角度的增大，围护桩位移虽有一定增幅，但建筑物的水平位移以及沉降位移更为均匀，减少了建筑物产生过大不均匀沉降所造成的风险。

沉降；水平位移；建筑物；连续阳角型基坑；有限元模拟

随着我国房地产事业的大力发展，导致大部分基坑分布在周围建筑物较为密集的区域[1]，附近有许多相邻的建筑物、地下设施、地下管线等影响因素[2]，造成基坑形状不规则且开挖难度加大。异形基坑的受力变形机理与规则基坑相比更为复杂[3]。随着异形基坑在实际工程中的占比逐渐增多，基坑的变形预测分析也显得格外重要。本文结合合肥某小区基坑工程的实际开挖情况以及现场监测数据，运用有限元软件MIDAS GTS NX对基坑开挖过程进行最大程度的还原模拟，将实测数据与模拟结果进行对比分析[4-9]，总结连续阳角型基坑开挖过程中阳角角度变化对临近建筑物影响的规律，对类似基坑工程具有积极的指导意义。

1 工程概况

1.1 工程条件

本工程基坑开挖面积约为45107.0m2，基坑周长13169m，开挖深度7.5m。本工程采用放坡+支护桩（直径900mm，桩长10m）。

1.2 工程地质条件

土层分布自上而下主要有杂填土、黏土1、黏土2、粉质黏土夹粉土、全风化泥质砂岩等。主要力学性质如表1所示。

表1 土层物理力学参数

拟建场地在上层滞水主要赋存于填土及浅部黏土中，无自由稳定水面，主要补给来源为大气降水，地下水位随季节变化，主要以蒸发方式排泄，并受地表水径流影响。基坑开挖前，地下水位已经被降到基坑坑底标高以下，所以本文软件模拟暂不考虑降水以及地下水的影响。

1.3 监测方案

在基础施工及维护阶段，由于工程的基础深，开挖面积大，施工中可能会出现基坑变形和相应引起的周边建（构）筑物的变形，为确保边坡的安全稳定和工程顺利进行，及时掌握基坑边坡变形动态，便于采取各种保护措施，在基础施工过程中对边坡及周边建（构）筑进行水平位移和变形监测。

2 基坑开挖的数值模拟分析

2.1 模型简介

本文采用三维模型进行模拟，在三维模型的运算过程中，确定尺寸是较为重要的一步。尺寸的选取与运行结果的精确性息息相关，尺寸选取过大将导致结果不精确，尺寸选取过小会使计算变得复杂，可能运行不出最终结果。根据数值分析及建模经验可知，模型的尺寸一般取基坑平面尺寸和开挖深度的3～5倍[10]，所以，此模型尺寸暂取为370m×450m×25m，基坑开挖深度为7.5m，根据现场施工实际情况分成3次开挖，先放坡，然后布桩，接着边挖边支护。模型土层的划分根据实际情况分成4部分。建模过程中围护桩用连续墙进行代替模拟，土体用摩尔库伦材料模型，基坑旁建筑物为地下一层（4.5m）地上10层（37.7m）。基坑模型如图1所示。

图1 模型网格

2.2 参数设置

2.2.1 土层和结构材料参数

本模型中土体的本构模型均为修正摩尔库伦本构模型，根据现场勘察所得土质基本概况，将土体自上而下共分为4层，各层土体相关物理力学参数如表1所示，所用结构材料参数如表2所示。

表2 结构材料参数

2.2.2 围护桩等效地连墙

围护桩的受力状态与地连墙相似，通过在桩顶位置施加冠梁，桩身位置处架设腰梁以此来提高围护桩的整体受力性以及抵抗荷载能力，所以在基坑建模中可利用等效刚度法将围护桩简化为地下连续墙[11]。等效地连墙厚度计算公式为

式中：为围护桩的直径，mm；为围护桩的桩间净距，mm；0为等效地连墙的弹性模量；为等效地连墙厚度，mm；1为围护桩的弹性模量（一般为所用混凝土的弹性模量）。根据式(1)所求本模型等效地连墙厚度为0.496m。

2.3 基坑开挖的工况设置

按照现场施工顺序，该工程分为5个阶段

（1）基坑按照1∶1放坡开挖至2m深，喷射0.08m，厚C20混凝土进行护坡；

（2）进行围护桩以及冠梁施工；

（3）继续开挖至4.5m深；

（4）腰梁施工；

（5）继续开挖至7.5m深。

2.4 监测数据与模拟结果的对比分析

2.4.1 模拟结果与监测数据对比

选取监测数据中位移较为明显的AH、GF、DE跨中围护桩桩顶水平位移，阳角拐角处D、E的围护桩桩顶沉降以及建筑物沉降与数值分析模拟结果进行对比（在进行监测数据整理中发现建筑物沉降最大的位置为拐角1位置处，所以此次对比建筑物沉降点选取最大沉降位置拐角1），对比结果如表3, 4所示。

表3 水平位移对比分析

表4 沉降位移对比分析

从模拟结果与监测数据的对比可以看出，相对误差均在10%以内，所以模拟结果较为理想[11]。说明本次模拟中本构模型、土体、结构参数的设置是较为合理的。

2.4.2 数值模拟结果分析

由表3, 4可以看出，实际监测数据普遍比软件模拟结果大。因为在实际施工过程中会受到周围道路车辆行驶、降雨天气和施工材料暂时堆放等因素的影响，实际围护桩位移会变大，在模拟过程中无法将这些因素完全模拟，因此会产生一些误差。

以计算模型中基坑东侧长边跨中附近监测点为研究对象，该处不同深度位置水平位移随工况的变化曲线如图2所示。

图2 不同工况围护结构跨中监测点水平位移曲线

在进行基坑开挖过程的模拟中发现，支护桩桩身变形随着基坑的开挖最大值逐渐变大且最大变形处均在支护桩桩底，此土层系坑底以下土质较差的粉质黏土夹粉土，所以在今后的设计和施工过程中要注意软弱土层内围护桩变形预测及监控，避免围护桩出现较大变形，影响工程进度。

3 阳角角度变化的数值分析

在基坑相关的监测数据与模拟结果的对比中已经验证了本构模型、土体、结构参数等相关信息的可行性，以三维有限元模型为基础，同时改变该模型相邻阳角的角度，因为实际工程周边场地受限，不能过多调整阳角角度，否则基坑会覆盖原有建筑物，所以分别建立80°, 85°, 90°, 95°, 100°阳角的模型，以此对比分析不同阳角角度对临近建筑物以及基坑变形的影响。仅改变相邻阳角的角度，5组模型的支护形式、网格划分尺寸、边界条件以及施工工况均与原模型相同。

3.1 围护桩位移分析

选取不同阳角角度建模结果中水平位移最大处以及两个相邻阳角处进行比较，结果如图3所示。随着阳角角度的增大，围护桩的水平位移呈逐渐上升并趋于稳定的趋势，且由95°阳角增大至100°阳角时，不同位置处围护桩桩顶水平位移均无明显增幅，说明阳角角度增大到一定程度后对围护桩水平位移影响微乎其微。

图3 不同阳角角度下不同位置围护桩顶水平位移

由图4可知，随着阳角角度的增大，各监测点围护桩的沉降均呈现先增大后减小的趋势，且均在阳角角度为90°时达到峰值，但均未达到预警值。

图4 不同阳角角度下不同位置围护桩顶沉降位移

3.2 建筑物位移分析

随基坑土体开挖，坑外土体会发生不均匀沉降，造成建筑物内部发生弯曲和剪切变形。本文重点对建筑物角点的位移进行监测及分析。

由表5, 6可知，随着阳角角度的增大，建筑物各角点的水平位移均增大，但随着阳角角度的增大建筑物各点水平位移的最值差距越来越小。当阳角角度为80°时建筑物水平位移最值差距为20.2%，当阳角角度为85°时建筑物水平位移最值差距为16.2%，当阳角角度为90°时建筑物水平位移最值差距为7.5%，当阳角角度为95°时建筑物水平位移最值差距为7.0%，当阳角角度为100°时建筑物水平位移最值差距为3.3%。

表5 不同阳角角度下建筑物水平位移

表6 水平位移最值

由表7, 8可知，在阳角角度变化过程中，建筑物沉降最大处均为角点1处且当阳角角度为100°时沉降最小，建筑物沉降最小点不固定。所以在实际施工过程中需着重观察角点1处的建筑物沉降。当阳角角度为100°时，各角点沉降较为均匀，最大沉降与最小沉降差距仅1.61mm。随着阳角角度的增大，建筑物角点沉降差值逐渐减小，当阳角角度为80°时建筑物沉降最值差距为92.4%，当阳角角度为85°时建筑物沉降最值差距为81.9%，当阳角角度为90°时建筑物沉降最值差距为56.6%，当阳角角度为95°时建筑物沉降最值差距为48.4%，当阳角角度为100°时建筑物沉降最值差距为27.5%。

表7 不同阳角角度下建筑物沉降位移

表8 沉降位移最值

4 结论

运用MIDAS GTS NX建立了基于实际工程（合肥市某住宅小区）的三维异形基坑以及周围建筑物的模型，对基坑的分步开挖以及基坑支护进行了动态模拟，并对模拟结果进行分析。（1）运用MIDAS GTS NX有限元软件建立三维有限元模型，与实际工程监测数据进行对比，得出模拟结果与实测数据基本吻合，验证了该本构模型的准确性。（2）若基坑底部存在软弱土层，则围护桩发生最大水平位移的位置并不一定在常见的开挖面附近，而是在坑底软弱土层中。此时需注意软弱土层中围护桩的位移，尽量使其不要出现较大变形，以防基坑事故发生。（3）随着基坑相邻阳角角度的增大，围护桩的水平位移以及沉降位移均出现一定幅度的增长，但对相邻建筑物而言其水平位移以及沉降位移的最值差距均在减小，所以可适当增加相邻阳角的角度以防建筑物产生过大的不均匀沉降，而产生结构性破坏裂缝。

[1] 彭志雄，周元刚. 深基坑开挖对临近建筑物相互影响效应分析[J]. 施工技术，2017, 46(08): 32-35.

[2] 刘志强，王士杰，刘明珠，等. 异形基坑围护结构变形的三维数值分析[J]. 河北农业大学学报，2017, 40(06): 114-118.

[3] 李琳，李彬，刘东，等. 深厚软土区深大异形基坑开挖对临近建构筑物的影响[J]. 长江科学院院报，2023, 40(01): 140-145.

[4]叶帅华，丁盛环，龚晓南，等. 兰州某地铁车站深基坑监测与数值模拟分析[J]. 岩土工程学报，2018, 40(S1): 177-182.

[5] 羊科印. 基坑开挖对基坑及临近建筑物的变形影响研究[D]. 西安：西安理工大学，2019.

[6] GOH A T C, ZHANG F, ZHANG W G, et al. Assessment of strut forces for braced excavation in clays from numerical analysis and field measurements[J]. Computers and Geotechnics, 2017, 86: 141-149.

[7]羊科印. 基坑开挖对基坑及临近建筑物的变形影响研究[D]. 西安：西安理工大学，2019.

[8] 窦正磊. 某带阳角深基坑变形规律及空间效应分析[D]. 合肥：安徽建筑大学，2022.

[9]马威. 深基坑开挖对地层及临近建筑物影响的数值分析[D]. 武汉：华中科技大学，2007.

[10]魏焕卫，孙元硕，尚文涛. 不规则基坑开挖导致支护结构变形及控制研究[J]. 施工技术（中英文），2022, 51(19): 1-6.

[11]周景超. 邻近建筑物基坑开挖的变形影响分析[D]. 北京：北京交通大学，2014.

Finite element analysis of the influence of continuous cation excavation on adjacent buildings

WANG Di，LI Da-hua，ZHANG Jun-long，WANG Ya-lin

(College of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China)

Based on the foundation pit project of a residential house in Hefei, finite element simulation was carried out by MIDAS GTS NX to study the deformation effect analysis of adjacent positive angle angles on neighboring buildings by continuous positive angle type foundation pit. The results show that although the displacement of the enclosure pile increases to a certain extent with the increase of the adjacent positive angle, the horizontal displacement and settlement displacement of the building are more uniform, which reduces the risk caused by excessive and uneven settlement of the building.

sedimentation；horizontal displacement；building；continuous positive angle type foundation pit；finite element simulation

TU473.1

A

1007-984X(2023)06-0072-05

2023-04-08

马鞍山首建工程质量检测咨询有限公司与安徽建筑大学合作项目“工程质量检测技术研究与应用”（HYB20220091）

王迪（1999-），男，安徽亳州人，硕士在读，主要从事现代工程施工力学与结构理论及管理技术研究，1654045860@qq.com。