基于Midas的基坑變形與影響因素分析

陳穎輝 汪凡茗 歐明喜,2 王文舉

（1.昆明理工大學建筑工程學院,云南 昆明 650500；2.云南省土木工程防災重點實驗室,云南 昆明 650500）

一、引言

隨著城市化進程加快，基坑工程的發展有了規模大、開挖深、支護形式多樣化等新特點，因此，在工程建設中存在的一些問題也日益突出，基坑變形特性及對周圍環境的影響因素一直是工程建設中被重點關注的問題。本文結合云南省昆明市雅府嘉苑項目，使用有關結構設計有限元分析軟件（MIDAS）實施模擬，分析基坑及坑后地表沉降變形規律，以便為類似工程方案優化提供參考借鑒。

二、工程概況

（一）工程簡介

該工程位于云南省昆明市五華區茭菱路與春暉路交叉口的東南側，場地北側為茭菱路，東側為大理公館，南側為昆明學院西二院兩棟家屬樓，西側為春暉路，區位優勢明顯，交通十分便利。擬建設項目用地面積達7648.08m2，規劃有2棟26（30）層主樓和四層裙房，總建筑面積51577.4m2，為框架剪力墻結構，管樁基礎。項目設置兩層地下室，基坑開挖深度為10.7m～11.2m，基坑周長為332m，基坑整體約為長方形，邊角處不規則。

（二）工程地質條件

擬建場地較為平整開闊，處于昆明斷陷盆地的西部，屬沖湖積盆地地貌。勘探孔口高程在1889.89m～1890.13m之間，最大高差為0.24m。根據地勘報告，填土、黏土、粉土、粉質黏土層為影響基坑支護設計的主要土層，地質剖面如圖1所示。

圖1 地質剖面

（三）水文地質條件

地下水類型主要為上層滯水及孔隙型潛水兩類，前者主要賦存于雜填土中，動態變化較大，主要受季節、降水影響，賦水性弱；后者主要賦存于各粉土層中，賦水性較好，受大氣降水、地表水的入滲補給和控制。

（四）原基坑支護設計方案

基坑采用“混凝土灌注樁+二道鋼筋混凝土支撐體系”支護，開挖深度為11.2m。基坑開挖深度超過10m，根據《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》(GB50202-2002)可知，該基坑安全等級為一級。地面冠梁層設置第一道內支撐，第二道距離第一道內支撐為4.8m。支護樁根據周邊環境差異，分別采用直徑為800mm和1000mm兩種規格的灌注樁，嵌固深度為6.8m，樁間距為1.4m。基坑北側和西側為道路，支護樁采用直徑800mm的長螺旋灌注樁，基坑南側和東側緊鄰小區建筑，為該基坑的支護重點，支護樁采用1000mm直徑的旋挖灌注樁。

圖2 支護結構剖面

三、原方案數值模擬結果

該工程采取剛度等效公式將圍護樁轉換為地連墻，東南側厚0.63m，西北側厚0.58m，通過地連墻的變形特性以表征圍護樁的變形規律，樁長18m，格構柱長14.6m，基坑開挖11.2m，采用修正摩爾庫倫本構模型，土層主要參數如表1所示：

表1 土層物理力學指標

（一）基坑周邊地表沉降

選取基坑北側地面，觀察基坑周邊地表沉降趨勢，如圖3和圖4所示：

圖3 基坑北側地表沉降取值位置

圖4 基坑周邊地表沉降曲線變化

圖像顯示，基坑周圍地表沉降曲線呈凹陷型，與高斯分布曲線理論一致。基坑周圍地表最大沉降值為12.6mm，而距離基坑邊6.1m處實際的測量數值為18.16mm，為基坑開挖深度的0.55倍。

通過觀察曲線可知，基坑對于周圍地表的主要影響范圍為21m左右，約為基坑開挖深度的2倍，超出范圍區域，為次要影響區。

（二）支護結構水平位移

地下連續墻的水平位移曲線以表征圍護樁的變形分布特征，如圖5和圖6所示：

圖5 地下連續墻變形云以及線上分布特征

圖6 圍護結構水平位移變化曲線

由上圖數據可知，當基坑沒有開挖處于工況-2時，樁體只產生了微弱的水平位移，分布沒有明顯的變化。當鋪設第二道內支撐后，樁體的水平位移分布曲線呈現出“弓形”趨勢，產生了最大水平位移為12.66mm，實測值為15mm，位于樁長7.2m處；工況-6時，樁體在位于樁身8.1m處產生的最大水平位移為21.88mm，實測值約為32mm。雖然通過模擬得出的數據與實際監測數據存在一定的差異，但是總體變化趨勢是大致相同的，足以驗證模擬的可靠性。

四、基坑影響因素分析

在工程的數值模擬過程中，主要分析樁體的嵌固深度、內支撐的豎向間距和內支撐的剛度3項因素對工程的影響。

（一）樁體嵌固深度的影響性分析

研究樁體的嵌固深度對于基坑工程及周圍環境的影響，分別選取3.4m、5.1m、6.8m、8.5m、10.2m和11.9m幾種嵌固深度，建立有限元模型得到周圍地表沉降的分布曲線如圖7所示：

圖7 嵌固深度對周圍地表沉降影響曲線

根據圖中數據可知，嵌固深度對于基坑周圍地表沉降存在一定影響，隨著嵌固深度的增大，坑后地表最大沉降逐漸變小，但是一味地增大樁體嵌固深度并不能保證改善效果的持續性，當嵌固深度超過某一上限值時，地表最大沉降值減小的速度開始降低，可見嵌固深度對于地表沉降的改善效果是有限的。

（二）內支撐豎向間距的影響性分析

該項目基坑的開挖深度為11.2m，第一道內支撐位于地表冠梁層，第二道內支撐與第一道內支撐間距為4.8m，為研究內支撐豎向間距對于周圍地表沉降和圍護樁變形的影響，本文選取了3.2m、4.8m、6.4m和8m幾種內支撐豎向間距，建立有限元模型得到曲線，如圖8所示：

圖8 內支撐間距對周圍地表沉降影響曲線

由上圖數據可知，基坑周邊地表沉降的分布特征呈凹陷型趨勢，最大沉降值出現在與坑邊距離約0.55倍的基坑開挖深度處。當內支撐的豎向間距為3.2m時，周邊地表最大沉降值為12.08mm，當內支撐豎向間距變化為8m時，最大沉降值約為13.98mm，可見隨著內支撐豎向間距增大，周圍地表的沉降值也在不斷增大，但內支撐豎向間距對于沉降的改善效果也存在上限。

（三）內支撐剛度的影響性分析

研究內支撐剛度對于基坑圍護樁以及周圍環境的影響，通過調整Midas輸入參數，以該項目原有剛度為基準，將工況選取為基準剛度的倍數，分別設置為：0.4EI、0.6EI、0.8EI、1EI、1.2EI和1.4EI。內支撐剛度變化對于基坑周邊地表沉降值影響分布特征曲線，如圖9所示：

圖9 內支撐剛度對周圍地表沉降影響曲線

由圖中數據可知，當內支撐剛度增加時，會減少基坑周圍地表的沉降值。當剛度為0.4EI時，基坑周邊地表最大沉降值約為17.71mm，而當剛度增加到1.4EI時，最大沉降值則約為10.96mm，說明內支撐剛度的變化對坑后地表沉降值具有一定影響。

五、結語

綜上所述，在一定區間范圍內，嵌固深度對基坑周邊地表最大沉降值的改善程度減少了11.68%，隨著參數的變化，樁體嵌固深度、內支撐豎向間距和內支撐剛度三項因素對基坑周圍地表沉降的改善效果呈逐漸降低趨勢；內支撐間距調整能夠減少約2.92%的基坑地表沉降，內支撐剛度調整能夠減少11.76%的基坑地表沉降，可見對基坑穩定性及周圍環境影響最大的因素為內支撐剛度；隨著基坑開挖，周圍地表沉降曲線由平緩變化轉換成凹陷型的分布特征曲線，最大沉降值出現在與坑邊距離約6.1m處；工程施工主要影響區間大約為2倍基坑深度，最大沉降值出現的位置約為0.55倍基坑深度；通過模擬值與實際監測數值對比，證明有限元模擬雖然在數值上跟實際數據具有一定差別，但其變化趨向是相似的，即通過MIDAS建立有限元模型模擬基坑開挖過程是可靠的。