基于MIDAS GTS NX對(duì)基坑變形的影響分析

谷文倩，呂秋玲，汪東林

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引言

由于城市內(nèi)涌現(xiàn)出大量建筑物，這使得擬建工程與周邊原有的建(構(gòu))筑物之間的關(guān)系變得復(fù)雜，因此在建設(shè)前期必須要考慮新建建筑物基坑開挖是否會(huì)對(duì)周邊建筑物造成影響[1].鄰近建筑物的變形與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及基坑底部隆起密切相關(guān)[2]，本文從研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與基底隆起入手，以合肥市某寫字樓基坑開挖工程為背景，利用MIDAS GTS NX軟件,根據(jù)場地的地質(zhì)地貌和周邊環(huán)境條件、基坑支護(hù)方案，探究基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與基坑底部的變形機(jī)理，保證基坑開挖過程的穩(wěn)定，并求解對(duì)鄰近建筑的擾動(dòng)降至最小的方案.

1 基坑工程概況

1.1 工程概況

該工程位于安徽省合肥市寫字樓基坑，基坑長45 m，寬25 m，開挖深度12 m.基坑旁邊有鄰近建筑物A、B、C3座，建筑物A和建筑物C距離基坑16 m，建筑物B距離基坑24 m.建筑物平面尺寸為25 m×10 m，建筑物高度32 m.采用地連墻與內(nèi)支撐、錨桿的基坑復(fù)合支護(hù)形式，地連墻高度15 m，厚度0.8 m.該寫字樓基坑開挖分4步，每步開挖3 m.在基坑豎直方向0 m、-3 m、-6 m、-9 m處依次布設(shè)4道支撐，前3道支撐采用砼支撐，第4道采用錨桿.

1.2 水文地質(zhì)概況

場地的地形地貌系江淮丘陵向長江平原的過渡地帶，屬于北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水日數(shù)為121天.根據(jù)鉆探分析結(jié)果，該場地土質(zhì)有粉質(zhì)粘土夾粉土、粉土、粉質(zhì)粘土和強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，具體如下分析：

(1)粉質(zhì)粘土夾粉土.韌性低，富有鐵錳質(zhì)結(jié)核、氧化鐵等，該層土全場分布，平均厚度約5 m；

(2)粉土.韌性低，稍密，主要由粘粒和粉粒組成，含鐵錳氧化物，該層土在場地大范圍分布，平均厚度約12 m；

(3)粉質(zhì)粘土.硬塑狀，稍有光澤，含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，該層土全場分布，平均厚度約12 m；

(4)強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖.層狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性較差，內(nèi)含礦物成分石英、云母等，該層土質(zhì)遍布整個(gè)場區(qū)，平均厚度約13 m.

土體計(jì)算參數(shù)如表1所列，模型材料參數(shù)見如2所列.

表1 土體計(jì)算參數(shù)表

表2 模型材料參數(shù)

2 基坑的數(shù)值模型

2.1 MIDAS GTS NX介紹

MIDAS GTS NX是一款有限元分析軟件，它主要服務(wù)于巖土和隧道等學(xué)科領(lǐng)域[3]，在國外率先得到了開展應(yīng)用，自2005年被引入國內(nèi)以來，在樁基布設(shè)、隧道掘進(jìn)、邊坡工程、基坑工程、礦山安全、地鐵開挖、水利工程等各種實(shí)際工程中廣被廣泛應(yīng)用[4-5]，在實(shí)際工作和相關(guān)科研工作中發(fā)揮了極大的作用.

2.2 參數(shù)設(shè)置與施工階段模擬

修正摩爾庫倫模型考慮加載和卸載時(shí)彈性模量不同[6]，與摩爾庫倫模型相比，它避免了采用彈性模量的假設(shè)去考慮開挖卸荷過程中土體的回彈模量和壓縮模量，從而保證了計(jì)算的精確度.故本工程巖土材料采用修正摩爾庫倫模型，結(jié)構(gòu)材料選用彈性本構(gòu)模型[7].

根據(jù)具體情況，模型尺寸為X方向150 m，Y方向105 m，Z方向42 m.為了更貼合實(shí)際，選用混合網(wǎng)格生成器，定義施工階段為：初始應(yīng)力分析、地連墻+立柱、開挖1+支撐1、開挖2+支撐2、基坑降水、降水穩(wěn)定、開挖3+支撐3和開挖4+支撐4.根據(jù)以上分析參數(shù)設(shè)置構(gòu)建的三維模型如圖1所示.

圖1 基坑開挖軸視圖

3 模擬結(jié)果與數(shù)值分析

3.1 地連墻整體坐標(biāo)系水平方向的位移

隨著基坑的開挖，地連墻的水平橫軸方向位移不斷增加，其水平橫軸位移如圖2所示.開挖第1層土?xí)r，地連墻橫軸方向最大位移為0.5 mm；開挖第2層時(shí)，地連墻橫軸方向最大位移為1.7 mm；開挖第3層時(shí)，地連墻橫軸方向最大位移為3.3 mm；開挖第4層時(shí)，地連墻橫軸方向最大位移為5.8 mm.根據(jù)圖2可知，地連墻橫軸方向水平位移最大處主要在基坑開挖深度的8/20～13/20處，在地連墻的中上部，且其變形點(diǎn)線圖呈明顯的“中凸型”，地連墻的頂端與底端變形較小.

圖2 不同工況下地連墻的橫軸方向位移

與水平橫軸方向的位移變化相似，地連墻水平縱軸方向位移也大致呈“中凸型”，且縱軸方向位移與基坑開挖層數(shù)正相關(guān)，縱軸方向位移情況如圖3所示.開挖第1層土?xí)r，地連墻水平縱軸方向最大位移為1.2 mm；開挖第2層時(shí)，地連墻縱軸方向最大位移為1.6 mm；開挖第3層時(shí)，地連墻縱軸方向最大位移為2.3 mm；開挖第4層時(shí)，地連墻縱軸方向最大位移為3.9 mm.根據(jù)圖3可知,地連墻縱軸方向水平位移最大處主要在基坑開挖深度的6/20～7/20處，在地連墻的中上部，與橫軸方向位移一致，地連墻的頂端與底端變形較小.因?yàn)槭艿洁徑ㄖ锏挠绊懀剡B墻靠近建筑物的一側(cè)變形更大，施工時(shí)需要注意.

圖3 不同工況下地連墻的縱軸方向位移

通過MIDAS GTS NX的模擬，可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：隨著寫字樓基坑不斷向下開挖，地連墻的水平位移出現(xiàn)了不斷增加的趨勢(shì)[8]，最大水平位移位置逐漸下降.

3.2 地連墻厚度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響

鄰近建筑物的變形與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形密切相關(guān)，控制好圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移是至關(guān)重要的.固定其余參數(shù)，從改變地連墻厚度的方面來探究圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，并用有限元軟件模擬試驗(yàn)，在X方向位移變化如圖4所示，隨著地連墻厚度增加，其位移不斷減小.地連墻厚度從0.6 m增加到1.2 m時(shí)，對(duì)應(yīng)工況下最大水平位移分別降低0.1 mm、1.4 mm、2.3 mm和2.1 mm，效果明顯.地連墻厚度從1.2 m增加到1.6 m時(shí)，對(duì)應(yīng)工況下最大水平位移分別降低0.1 mm、0.1 mm、0.2 mm和0.2 mm，區(qū)別不大.

圖4 不同厚度地連墻的X方向位移圖

通過上述分析可以得到：增加地連墻厚度可以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，但是這種控制是有限度的，當(dāng)?shù)剡B墻厚度達(dá)到1.2 m 后再增加厚度，其變形基本不變.因?yàn)榛游撮_挖時(shí)，土體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，隨著工況的開展，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部土體不斷減少，這使得地連墻內(nèi)外土體產(chǎn)生了一個(gè)高程差，地連墻外側(cè)土體有向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)，從而擠壓地連墻向基坑內(nèi)部彎曲產(chǎn)生位移，故增加地連墻厚度可以抵御這種位移.影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的因素有很多，如基坑開挖卸荷和周邊環(huán)境都是不能忽略的影響因素，因此單方面增加地連墻厚度不可能無限度減少位移.

3.3 坑底土體隆起

基坑土體隆起指的是在基坑開挖過程中，由于坑內(nèi)土體減少，坑底土體應(yīng)力釋放而引發(fā)的一種現(xiàn)象.坑底土體隆起可以分為兩大類，分別是彈性隆起和塑性隆起.彈性隆起一般發(fā)生在基坑開挖深度較淺時(shí)，它的特點(diǎn)是中間高兩邊低，大致呈山峰型.彈性隆起，顧名思義，它是一種可以恢復(fù)的變形，持續(xù)時(shí)間較短，一般來說，開挖結(jié)束后會(huì)恢復(fù).當(dāng)基坑開挖深度不斷增大，就會(huì)產(chǎn)生變形形式呈波浪形的塑性隆起，這種變形不能消失[9-10].

根據(jù)有限元軟件，計(jì)算出基坑隆起值是26.3 mm，基坑最大位移位于中部，兩邊位移不斷減小，本工程基底隆起結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 基底隆起

為驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，引入基底隆起值經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析，公式如下：

(1)

(2)

式中，δ表示基坑隆起量(cm)；γ表示土體重度(t/m3)；H表示基坑開挖深度(m)；ρ表示地表超載(t/m3)；C表示土的粘聚力(kg/cm2)；φ表示內(nèi)摩擦角(°)；D表示墻體入土深度(m).

將模型代入計(jì)算公式，得到基坑坑底隆起28.1 mm，與Midas GTS NX軟件計(jì)算結(jié)果相比，經(jīng)驗(yàn)公式得到的計(jì)算結(jié)果略大，這是因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)公式未考慮坑底墊層施工及空間效應(yīng)對(duì)坑底隆起的影響，但是兩種結(jié)果都符合要求.

4 結(jié)語

本文針對(duì)合肥市某寫字樓基坑工程開挖涉及的問題，采用有限元數(shù)值模擬法和經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：①隨著基坑的不斷開挖，地連墻的水平位移按工況逐級(jí)增大，最大位移SMAX出現(xiàn)在基坑開挖有效深度的1/5～1/2；②通過改變地連墻厚度研究圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)基坑變形的影響，經(jīng)過有限元軟件模擬可知，在1.2 m范圍內(nèi)增加厚度對(duì)基坑變形有一定控制效果；③Midas GTS軟件計(jì)算出的基坑隆起結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果基本吻合.