Z大廈基坑開挖三維數值模擬分析

杜思思

(深圳市大升高科技工程有限公司，廣東 深圳 518027)

1 引言

在東南沿海地區的城市建設中，為了節約土地資源，為了滿足城市發展對土地資源的需求，不斷地在海岸線進行大規模填海造地。高層建筑的基坑開挖深度也越來越大，而且呈現多層開發的趨勢，城市地下工程建設已進入快速發展時期。然而回填原材料、方法及技術的差異，給后期基坑支護工程造成了不少麻煩[1]。

據統計，東南沿海填海區發生基坑破壞的主要原因為基坑支護設計不合理。近些年東南沿海的建設者們跟隨時代發展的腳步不斷探索填海區深基坑的新型設計方法，但是，對于新型支護結構，設計理論計算還在沿用傳統的計算理論及方法，導致內力分析及變形控制不合理，甚至出現了較大的計算誤差。因此，需要用非傳統的計算方法對新型設計方法進行研究。但目前巖土工程設計師傳統計算采用的是理正深基坑7.0軟件，此方法在新型支護結構建模簡化中存在較多缺陷。

對比前人的各種研究成果及方法：

李東海，王夢恕等[11]采用數值模擬與現場監測的方法對某基坑工程進行研究，通過對支護樁樁身深層水平位移、坑頂水平及豎向位移進行對比分析，并由對比分析結果進行支護結構的方案優化。

林鵬，王艷峰等[12]運用數值模擬的研究方法對雙排樁和單排樁進行研究，通過雙排樁與單排樁的內力及變形結果對比，得出雙排樁相比單排樁具有彎矩小、剛度大的優點。

孫濤，劉俊巖[13]通過數值模擬分析支護結構的排距，根據監測數據對比分析樁身水平位移及彎矩，得出了在2～4倍的樁距時，支護結構控制變形的效果最佳。

古良[14]運用有限元對雙排樁在基坑不同開挖工況進行數值模擬分析，根據數值模擬結果得出前排樁的水平位移大于后排樁，并通過監測數據對比證明數值模擬結果與監測數據吻合。

周進，王子涵[15]通過在不同開挖工況下運用有限元對雙排樁擋土結構進行數值模擬分析，得出了在開挖過程中，前排樁的水平位移及彎矩最大，并分析了樁間土壓力的分布特點。

本文采用MIDAS軟件對基坑的實際施工過程進行動態模擬。模型采用莫爾-庫倫Mohr-Coulomb彈理想塑性模型，以深圳市Z大廈基坑支護工程為例，此工程場地回填年限較短，填石層較厚且不均勻，回填土來源復雜、工程性質差異大，原地層存在淤泥軟弱地層，并且場地地下水位受潮汐的影響，埋深較淺，增加了深基坑工程開挖以及降排水的技術難度；為提高設計結果的精度，保證基坑周邊環境以及支護結構在基坑開挖階段的安全；用有限元數值模擬分析得出結果并與現場實測數據進行對比分析，得到基坑開挖過程中本項目選用的衡重式雙排樁受力特性、變形規律以及對坑外地面的變形影響情況；最后通過數值模擬分析排距、后排樁樁徑及坑頂荷載對支護結構的影響規律，對今后該類深基坑工程具有借鑒價值。

2 工程概況

Z大廈項目位于深圳市南山區深灣地鐵站南側，北側毗鄰白石四道、地鐵9號線、11號線和深灣地鐵站，南側毗鄰濱海大道及輔路，西側深灣四路，東側毗鄰深灣五路，內部現狀正在進行基坑支護。本項目地塊分南北兩個基坑，基坑坑底標高為-6.0 m，基坑最大開挖深度約11.0 m。南側基坑周長約為693 m，總面積約30435 m2，位于地鐵9號線50 m范圍線外，附近無重要管線及建筑；北側基坑，周長約為472 m，總面積約10670 m2，位于地鐵9號線、11號線50 m范圍保護線內，基坑側壁距離地鐵9號線車站通道結構最近約5 m，距離地鐵隧道11號線結構外邊線最近約10.5 m。基坑支護平面監測點布置如圖1所示。

圖1 基坑支護平面監測點布置

本基坑較深，基坑支護段基坑深度約11.0 m，場地內填石層較厚，場地東側、西側基坑支護安全等級定為二級，其中北側3-3剖面靠近地鐵隧道基坑支護安全等級定為一級。本工程將基坑分為南北兩地塊,其中南地塊先施工。南地塊基坑周長約為693 m，總面積約30452 m2，根據周邊環境及地質條件，基坑主要采用雙排樁支護型式，基坑北側分兩級放坡采用土釘墻支護。北地塊基坑周長約為572 m，總面積約10670 m2，基坑主要采用咬合樁+內支撐支護形式(圖2)。

圖2 南側基坑支護2-2斷面

考慮到施工造價和施工難易程度，基坑支護形式創新采用了前后雙排樁設計，基坑內側一排咬合樁(299條Ф1200@1800 mm葷樁、300條Ф1200@1800 mm素樁)，基坑外側一排分布支護樁(150條Ф1200@3600 mm)。

雙排樁頂設有500 mm厚鋼筋混凝土壓板；壓板基坑側設有300 mm厚鋼筋混凝土擋板，內側回填土方，坑頂護欄，坑頂/坑底水溝，集水井，樁間噴錨。

3 基坑開挖對周圍環境影響的數值分析方法

3.1 有限元分析模型

采用巖土和隧道有限元分析軟件midas GTS NX對Z大廈基坑開挖項目進行建模分析，土體采用三維土工有限元軟件在不考慮水的影響(土水合算)的條件下模擬設計工況基坑開挖、支護過程，用以計算基坑開挖土體應力釋放造成基坑周邊環境變形。

3.2 材料本構模型及計算參數

基坑內支撐采用一維彈性桿單元模擬，基坑圍護、樓板撐，各土層則假設為彈塑性體，材料的破壞準則采用莫爾-庫侖準則，本構模型選用修正摩爾-庫倫模型。分析模型以3～5倍的基坑深度距離為模型邊界，模型底面為基坑底以下中風化巖，模型共有節點62731個，單元376960個。為了簡化計算，本次模型模擬截取了南側地層最不利一段進行建模分析(圖3、圖4)，模型外尺寸為11 m×40 m×31 m；基坑支護腰梁和支撐構件均采用一維梁單元，其截面形狀和尺寸與實際結構完全相同；基坑支護樁采用等剛度代換后采用二維板單元代替，支護錨索采用一維植入式桁架單元。

圖3 2-2’剖面段基坑建模模型

3.3 邊界條件及荷載

計算模型中各垂直邊邊界條件為水平鉸支約束，模型底面為豎向位移約束。各計算施工階段邊界條件不變。場地初始豎向應力場為土體自重σz+基坑邊3.6 m處固定附加應力20 kp，水平向應力σx，按下式確定：

σx=K0(σz+20)

(1)

式(1)中，K0為靜止土壓力系數，全風化巖取0.35，強風化巖取0.18，中風化巖取0.1，其它土按下式計算：

K0=1-sinφ

(2)

3.4 基坑內地層條件

本場區地層自上而下土層分別為：第①層填石層，填石層平均層厚8.27 m，進行重型動力觸探試驗6.2 m，擊數標準值8.0擊；第②層淤泥質黏土平均層厚1.97 m，進行標準貫入試驗21次，擊數標準值2.0擊；第③1層粉質黏土，平均層厚2.28 m，進行標準貫入試驗8次，標準值13.0擊；第③2礫砂，平均層厚1.60 m，進行標準貫入試驗6次，標準值14.7擊；第④層礫質黏性土，平均層厚13.2 m，進行標準貫入試驗110次，標準值24.3擊；第⑤層為燕山期花崗巖(γK1)，根據其風化程度可分為4個風化帶：第⑤-1全風化花崗巖層、第⑤-2強風化花崗巖層、第⑤-3中等風化層和第⑤-4微風化層。典型地質剖面圖見圖5。

圖5 南側區域基坑邊線地質剖面

3.5 建模時巖土體和構件材料強度參數取值

巖土體參數取值見表1。

表1 土體參數取值

3.6 有限元計算結果與實測值對比分析

模型選取了4個階段的成果進行分析：第一階段，開挖2.7 m；第二階段，開挖6.3 m；第三階段，開挖9 m；第四階段，開挖10.8 m。

模型的土層情況自上而下分別為：①2填石6.3 m，②淤泥質黏土2.7 m，③1粉質黏土3.6 m，④礫質黏性土12.6 m，⑤1全風化12.6 m，⑤2強風化16.2 m。

針對SP20點進行模型模擬，從圖6～圖10可以得出土體水平位移變形結果：

(1)隨著基坑開挖深度的增加，作用在支護結構上的土壓力不斷增大，坑外土體便向坑內移動，因此土體水平方向的位移逐漸增大。

(2)隨著開挖深度的增加，坑頂水平變形的影響范圍在變大。

(3)本項目坑頂的最大水平位移發生在基坑開挖第四階段，大小約為34.85 mm，未超過坑頂水平位移允許值。

(4)模擬值與監測實際值基本一致。

從圖11～圖15可以得出模型模擬土體豎向位移變形結果：

(1)隨著基坑開挖深度的增加，坑頂周圍的土體向坑內移動的過程中產生地表沉降，沉降量伴隨開挖深度增加和坑外超載的雙重作用，坑頂周圍的土體的最大沉降量在坑頂超載處。

(2)本項目坑頂的最大位移發生在基坑開挖第四階段，大小約為5.8 mm，未超過坑頂豎向位移允許值。

(3)模擬值與監測實際值基本一致。

從圖16～23可以看出模型模擬前排樁彎矩值：模型模擬后排樁彎矩值：

(1)前后排樁的反彎點位置不相同，前排樁反彎點位置在基坑底以下約1 m處，后排樁反彎點位置剛好在基坑底處。

(2)前排樁最大正彎矩值發生在坑頂以下7.8 m處，約為基坑開挖深度的2/3，而后排樁最大正彎矩值發生在樁頂處；前排樁最大負彎矩位置在基坑底以下約4.0 m處，后排樁最大負彎矩位置在基坑底以下5.0 m處；前后排樁樁端彎矩大小都為零。

(3)前排樁所受到的最大正負彎矩值比較接近，大小分別約1103 kN·m和984 kN·m；由于后排樁的樁距是前排樁的兩倍，導致后排樁的正負彎矩相差較大，大小分別約為1960 kN·m、790 kN·m。

(4)由于衡重臺的作用，前排樁的正負彎矩大小較接近，后排樁的正彎矩與負彎矩相差較大，前后排樁的樁身彎矩分布規律總體上出現較大差異。

4 結論

本文利用MIDAS GTS NX軟件在對Z總部基地基坑東南側2-2剖面建立三維模型，在建立模型過程中，對模型尺寸、土體材料本構模型及強度參數、邊界條件及荷載作出合理的簡化、假設及選取，進行數值模擬分析，解決了理正深基坑7.0對衡重式雙排樁計算存在的缺陷問題。根據有限元計算結果對基坑開挖過程中雙排樁支護結構的彎矩、深層水平位移以及坑頂水平與豎向位移的變化進行分析。

(1)本文通過有限元分析的手段解決了理正深基坑7.0在設計計算建模中對衡重臺、后排樁樁距及嵌固深度無法布置的問題，從而提高了設計計算結果的精度。通過對本項目地質條件及基坑東南側的2-2剖面進行研究，得出了：由于衡重臺的作用，前排樁的正負彎矩大小較接近，后排樁的正彎矩與負彎矩相差較大，前后排樁樁身彎矩分布規律總體上出現較大差異。前后排樁樁頂和樁底均有一定的水平側移，總體上前后排樁的變形為傾覆式變形。由于衡重臺水平板的約束作用，前后排樁的樁身深層水平位移最大值基本相等，變形規律基本一致。支護結構深層水平位移、坑頂水平以及豎向位移最大值均在樁頂位置。

(2)通過有限元數值模擬計算結果與監測數據對比分析可知，在支護結構受力特征及變形規律對比分析中，得出了有限元分析結果與監測結果基本吻合。說明了本文采用的監測方案、有限元計算模型及選取參數均是正確的。