基于Midas GTS分析深大基坑開挖對鄰近建筑物的影響

顏 超

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

隨著國家經濟的持續發展，特大型城市（如北京、上海、廣州等）基礎公共設施開發與建設開始逐漸趨于飽和，漸漸由城市建設向城市更新轉變；同時，由于城市用地資源的匱乏，地下空間的開發與利用的需要也日趨突出。因此，越來越多的基坑工程周邊環境相當復雜，保護要求也隨之提高。

目前，已有許多學者針對基坑開挖對鄰近建筑物的影響做了深入的研究。在基坑施工對鄰近既有設施影響方面，胡軍[1]、王明珉等[2]、劉松玉等[3]、張驍等[4]通過采用試驗、數值分析以及現場監測等方法探索和研究了周邊樁基受基坑施工的影響，呈現了基坑開挖對鄰近樁基的影響機制；Shi等[5]、魏綱等[6]、鄭剛等[7]、姚愛軍等[8]分別采用解析解、室內試驗及數值分析等方法探索和研究了基坑開挖全過程對緊鄰既有盾構隧道所產生的影響，并進一步給出了相應的保護技術和控制措施；張陳蓉等[9]、王成華等[10]、姜崢[11]、何小龍等[12]探索和研究了基坑開挖全過程對周邊既有管線的影響，并給出了相應的變形控制標準和保護要求。

本文基于上海某綜合體基坑工程，通過應用大型有限元軟件Midas GTS，對基坑開挖全過程對鄰近建筑物的影響進行了分析，從而為以后的工程使用類似的分析方法提供借鑒。

1 工程實例

1.1 工程概況

上海某綜合體項目位于上海市徐匯區，基坑總面積約5.6萬 m2，開挖深度6.75～12.80 m。其中，鄰近上海體育館南側的2區基坑開挖深度為12.50 m，上海體育館距離基坑邊線最近為3.4 m，如圖1所示。

圖1 工程平面示意

上海體育館基底埋深為地下3.7 m，樁基采用樁徑600 mm、有效樁長16.1 m的鉆孔灌注樁。基坑總體施工方案采用順作法。基坑圍護結構為：北側和南側采用厚1.0 m地下連續墻＋φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁槽壁加固并結合2道鋼筋混凝土支撐；東側和西側采用φ950 mm@1 150 mm鉆孔灌注樁＋φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁。鄰近上海體育館側基坑典型剖面如圖2所示。

圖2 工程典型剖面

1.2 地質情況

本項目場地屬于古河道分布區，該區域土體主要以流塑黏性土為主，該類土體含水量較高、壓縮性較大，并且土體的力學性質也比較差。本工程在基坑開挖范圍內的土層分布如下：①填土、③淤泥質粉質黏土、④1淤泥質黏土、④2-1粉質黏土、④2-2砂質粉土、⑤1粉質黏土和⑤3粉質黏土。

2 有限元模型

2.1 三維有限元模型

為分析基坑開挖與周邊建筑的相互影響，采用大型有限元軟件Midas GTS進行數值模型精細化模擬，由于本模型的計算分析體量較大，為提高計算精度和速度，對三維模型進行了一定的簡化，如圖3所示。

圖3 三維有限元計算模型

本模型包括實際土體、地下連續墻、圍檁、支撐、立柱（立柱樁）、小白樓基礎結構以及上海體育館基礎結構，其中小白樓和上海體育館上部結構均轉換為實際荷載代替。各材料屬性見表1，泊松比均為0.2。

表1 單元材料屬性

2.2 土體本構模型及計算參數

有限元法是分析基坑開挖與周邊環境相互影響的常用手段，該分析法的關鍵在于選取合適的土體本構模型和合理的模型參數，修正摩爾-庫侖本構模型（即HS模型）是常用于基坑開挖數值分析的模型之一，適用于基坑開挖全過程中對周邊敏感環境進行分析[13]。

HS本構模型有11個計算參數：有效黏聚力c，有效內摩擦角φ，剪脹角ψ，剛度應力水平相關冪指數m，卸荷再加荷泊松比vur，參考應力pref，破壞比Rf，正常固結條件下的側壓力系數K0，三軸排水試驗的參考割線剛度E，固結試驗的參考切線剛度E，卸荷再加荷模量E。本模型土體參數見表2。

表2 土層計算參數

2.3 模擬工況

Midas GTS有限元軟件通過“激活和鈍化”單元來模擬整個施工過程，具體工況如下：STEP1，計算初始地應力場；STEP2，計算周邊環境應力場；STEP3，施工圍護結構；STEP4，開挖至首道支撐底，并施工首道圍檁和支撐；STEP5，開挖至第2道支撐底，并施工第2道圍檁和支撐；STEP6，開挖至坑底。

3 計算結果分析

3.1 與實測數據對比

為確保有限元參數選取的準確性和合理性，將本基坑開挖至坑底時靠近上海體育館側圍護結構側向位移的計算結果與現場實測結果進行比對，如表3、圖4所示。

表3 上海體育館地基梁沉降對比

從表3和圖4中可以看出，有限元分析結果與實際監測結果比較吻合，因此可以確定本文所建的模型中所選取的參數是準確、合理的。

圖4 有限元結果與實測結果對比

3.2 坑底被動區加固影響

本小節考慮了基坑被動區土體加固對基坑圍護結構側向位移、上海體育館地基梁沉降以及樁基側向位移的影響，如圖5～圖7所示，并微調了計算工況。

圖5 圍護結構側向位移

圖6 上海體育館地基梁沉降

圖7 上海體育館樁基側向位移

具體工況調整如下：STEP1，計算初始地應力場；STEP2，計算周邊環境應力場；STEP3，施工圍護結構及被動區加固，開挖至第1道支撐，并施工第1道圍檁和支撐；STEP4，開挖至第2道支撐底，并施工第2道圍檁和支撐；STEP5，開挖至坑底；STEP6，施工2區結構底板并拆除第2道支撐。

結合表3、圖4～圖6可以看出，對基坑被動區土體進行加固有利于改善圍護結構的側向變形，降低對周邊環境的影響。從圖5～圖7可以看出，施工2區結構底板并拆除第2道支撐是最不利的施工工況，并且經過基坑被動區加固后圍護結構的側向位移最大值由0.9H（H為挖深）上移至0.7H處，這主要是由于在第2道支撐拆除后，已完成的結構底板至第2道支撐之間的結構未能夠及時回筑而造成的，因此，在現實施工情況下，應在結構回筑至最后一道支撐底時再拆除該道支撐，這與實際施工情況也相符合。

4 結語

本文基于上海某綜合體基坑工程，通過采用大型Midas GTS有限元軟件并選用HS本構模型進行精細化建模，分析基坑開挖的全過程對鄰近建筑物的影響，將分析結果與現場實際監測數據進行對比，驗證了模型參數選取的合理性和準確性。在此基礎上，分析了基坑被動區加固及結構底板回筑對圍護結構側向變形以及建筑物沉降的影響，從而為以后的工程使用類似的分析方法時提供借鑒。