金 旭 苗曉鵬 呂圣嵐 劉天玚 邵 磊

（1.航天規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100162；2.中國航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071；3.北京航天地基工程有限責(zé)任公司，北京 100070）

0 引言

城市建設(shè)用地日趨緊張，尤其在北京等一線城市，建筑地下空間開發(fā)利用已成為城市建設(shè)發(fā)展的重要趨勢，因而出現(xiàn)了許多深基坑工程。城市深基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜[1-2]，基坑事故時(shí)有發(fā)生，對基坑工程及周邊建（構(gòu)）筑物的安全評價(jià)和保護(hù)尤為重要。當(dāng)基坑距離重點(diǎn)保護(hù)建（構(gòu)）筑物（如地鐵車站等）較近時(shí)，基坑設(shè)計(jì)必須要充分、全面地分析計(jì)算基坑開挖引起的周邊建（構(gòu)）筑物變形情況。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)計(jì)算方法在這方面存在諸多弊端和局限，需要借助有限元軟件進(jìn)行三維建模來模擬基坑開挖對鄰近建（構(gòu)）筑物的影響，進(jìn)而做出客觀、全面的分析和評價(jià)。

數(shù)值模擬分析軟件中土體本構(gòu)模型參數(shù)較多，有些參數(shù)無法通過地勘報(bào)告直接獲取。不同地區(qū)的同一類土、同一地區(qū)的不同類土，其參數(shù)取值不盡相同，因此要通過理論數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證模型中各類土的參數(shù)取值范圍，從而更好地為工程服務(wù)。

目前，許多學(xué)者對深基坑開挖安全評價(jià)與分析做出了深入的研究。宋 宸[3]基于青島地鐵基坑開挖長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，對基坑開挖卸荷效應(yīng)進(jìn)行分析，建立了基坑開挖周邊安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系。張傳虎[4]以西寧某深基坑工程為研究實(shí)例，分析基坑周圍土體沉降、水平位移、土釘軸力以及坑底抗隆起等基坑變形和受力特點(diǎn)，驗(yàn)證了該工程選型思路的可行性以及關(guān)鍵參數(shù)確定的合理性。尹永明[5]以上海軟土地區(qū)某地鐵站深基坑開挖為例，分析開挖施工的風(fēng)險(xiǎn)因素、安全施工措施及成效，為后續(xù)工程提供參考。此外，MIDAS 等數(shù)值模擬軟件廣泛應(yīng)用于深基坑計(jì)算分析。劉 陽等[6]運(yùn)用MIDAS GTS 軟件對基坑和地鐵區(qū)間隧道和車站主體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過與現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測對比分析，研究基坑開挖對既有地鐵的安全性。顏 超[7]構(gòu)建模型分析基坑被動(dòng)區(qū)加固及結(jié)構(gòu)底板回筑在基坑開挖全過程中對鄰近筑物的影響，為實(shí)際工程提供參考。孫 超等[8]基于MIDAS GTS 軟件對長春市某基坑開挖施工過程進(jìn)行模擬，分析得出樁頂水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，為基坑監(jiān)測提供參考依據(jù)。喬麗平等[9]通過對深圳某軟土深基坑支護(hù)方案進(jìn)行三維有限元建模和計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與第三方監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了理論計(jì)算的可靠性。

依托積水潭醫(yī)院深基坑工程，利用MIDAS GTS軟件建立基坑三維模型，通過三維模型模擬得到基坑變形數(shù)據(jù)，經(jīng)與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了MIDAS GTS 軟件在工程應(yīng)用的可靠性。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

積水潭醫(yī)院工程場地位于北京市昌平區(qū)，基坑深度約23 m，基坑?xùn)|側(cè)鄰近3 棟既有建筑物。1#建筑物（污水處理站）地上1 層，地下2 層，基礎(chǔ)埋深6.5 m，距離基坑約4～10 m；2#建筑物（埋地鍋爐房）地下3 層，基礎(chǔ)埋深10.5 m，距離基坑約10～14 m；3#建筑物地上5 層，無地下室，基礎(chǔ)埋深2 m，距離基坑約18～21 m。

1.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告，擬建場地地層主要分為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層兩大類，并按巖性及工程特性進(jìn)一步劃分為13 個(gè)大層及其亞層。人工堆積層厚度1.40～3.50 m，巖性為黏質(zhì)粉土素填土、粉質(zhì)黏土素填土①層及房渣土①1層；其下為第四紀(jì)沉積的黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土及粉細(xì)砂、細(xì)中砂等。典型工程地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

地下水類型及實(shí)測地下水情況見表1。

表1 地下水情況

1.3 基坑支護(hù)體系及監(jiān)測布置

基坑采用擋土磚墻與樁錨聯(lián)合支護(hù)，地下水控制采用帷幕截水+坑內(nèi)疏干方案?；由喜? m 采用37 擋土磚墻支護(hù)，下部采用樁錨支護(hù)。排樁樁徑為1.0 m，樁間距為1.6 m，樁長為30 m，樁身及冠梁混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋保護(hù)層厚度為50 mm；錨桿腰梁采用雙28b 工字鋼，錨索桿體采用4～5 束7φ5 鋼鉸線（1860 級），錨索長度為23.0～26.0 m；樁間土采用內(nèi)置φ6.5@200×200 mm 鋼筋網(wǎng)的噴射混凝土面層?；又ёo(hù)及監(jiān)測點(diǎn)平面布置見圖2。

圖2 基坑支護(hù)及監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

2 三維基坑模型

2.1 三維有限元模型建立

采用MIDAS GTS 軟件，按照1∶1 的比例建立深基坑模型。根據(jù)基坑的實(shí)際尺寸及基坑變形影響范圍[10]，該模型總尺寸為363 m×290 m×65 m，基坑深23 m，護(hù)坡樁長30 m，嵌固深度9 m；1#、2#和3#建筑物的尺寸分別為22 m×9 m×12 m、32 m×23 m×13 m和33 m×14 m×17 m。

2.2 計(jì)算基本假定

（1）土層厚度分布較均勻，故模型中各土層厚度按照該層的平均厚度考慮。

（2）模型中土體本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫侖本構(gòu)模型（MMC）[11]，單元類型為六面體單元。模型參數(shù)取值見表2。

表2 MMC 模型土層參數(shù)

（3）支護(hù)構(gòu)件及臨近建筑物則采用線彈性本構(gòu)模型。

（4）預(yù)應(yīng)力錨索則采用植入式桁架單元模擬；冠梁及鋼腰梁采用梁單元模擬。

（5）為了減少單元數(shù)量，本模型采用剛度等效法[10]將護(hù)坡樁體等效為地下連續(xù)墻，并采用板單元模擬。

（6）忽略土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相對位移，結(jié)構(gòu)與土體節(jié)點(diǎn)耦合。

（7）收斂標(biāo)準(zhǔn)采用位移收斂準(zhǔn)則。

（8）依據(jù)該工程的實(shí)際邊界條件、受力情況及分析工況，對完成網(wǎng)格劃分后的模型施加自重荷載及位移邊界約束條件。

建成的三維基坑模型見圖3（a）和圖3（b）。

圖3 深基坑三維模型及各個(gè)構(gòu)件標(biāo)識圖

2.3 定義施工階段

利用鈍化和激活功能，根據(jù)具體的施工步驟，依次在每一步工況時(shí)鈍化該工況開挖的土體和激活該工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)。具體施工工況見表3。

表3 基坑施工工況

3 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析

本項(xiàng)目在施工過程中對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、周邊建筑物沉降進(jìn)行了監(jiān)測，為了驗(yàn)證模型的可靠性，結(jié)合擬建場地施工布置，在擬建基坑的東側(cè)選取三個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行土壓力監(jiān)測。

3.1 土壓力數(shù)據(jù)對比

土壓力監(jiān)測采用鉆孔法進(jìn)行監(jiān)測，孔深均為30 m，沿著鉆孔深度方向，每隔4 m 安裝1 個(gè)振弦式土壓力計(jì)，每個(gè)鉆孔共安裝7 個(gè)土壓力計(jì)。通過對基坑從開挖到底板澆筑階段基坑周圍土壓力監(jiān)測，獲得基坑外一定范圍內(nèi)土壓力隨開挖深度不同土壓力的變化情況，如圖4 所示。

圖4 計(jì)算土壓力與實(shí)測土壓力數(shù)據(jù)對比

從圖4 可看出，隨著深度增加，實(shí)測及計(jì)算土壓力曲線均呈線性增加，曲線基本呈斜直線形[12]。在GTS 模型計(jì)算得到的土壓力曲線中，B 點(diǎn)和C 點(diǎn)受地上建筑物荷載的影響，其土壓力值比A 點(diǎn)的要大。在自地表以下8 m 深度的范圍內(nèi)，理正深基坑設(shè)計(jì)軟件（7.5 版）及GTS 模型對A 點(diǎn)計(jì)算的土壓力值與實(shí)測值較為接近，隨著深度的增加，理正深基坑設(shè)計(jì)軟件計(jì)算值與實(shí)測值偏差越來越大，最大偏差約為80%，而GTS 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值相對較接近。

3.2 周邊建筑物沉降變形分析

GTS 模型計(jì)算得出的周邊建筑沉降曲線及云圖見圖5 和圖6，從GTS 模型計(jì)算結(jié)果來看，1#建筑物和2#建筑物距離基坑較近一側(cè)的兩個(gè)角點(diǎn)（a1、a2和a5、a6 點(diǎn)）出現(xiàn)輕微隆起現(xiàn)象，這主要是因?yàn)?#建筑物和2#建筑物基礎(chǔ)埋置較深，此處土壓力較小，而第2-5 步預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)加力偏大。

圖5 周邊建筑物沉降變形曲線

圖6 周邊建筑物沉降云圖

在監(jiān)測最后階段建筑物沉降最大值出現(xiàn)在3#建筑物的a9 角點(diǎn)處，約為6.4 mm。在整個(gè)基坑開挖過程中，1#和2#建筑物均向坑外傾斜，在基坑完成第6步開挖后，建筑物傾斜達(dá)到最大值，1#建筑物最大傾斜率為0.03%，2#建筑物最大傾斜率為0.01%；3#建筑物在基坑開挖初期，向坑內(nèi)傾斜，當(dāng)基坑完成最后一步開挖后，則發(fā)生向2#建筑物方向傾斜的現(xiàn)象，即圍繞建筑物的中心呈轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢。3#建筑物最大傾斜率為0.08%。上述三個(gè)建筑物的傾斜率均小于設(shè)計(jì)允許傾斜率（0.2%）。3#建筑物的長寬比最大，故其對抵抗基坑開挖的影響最不利，測得其最大沉降值、最大差異沉降也最大[12]。

基坑自2020 年6 月開挖，至12 月第4 步開挖完成，期間1#、2#及3#建筑物的沉降監(jiān)測值都很小，在1～3 mm。當(dāng)基坑開挖完成后，各建筑物沉降值達(dá)到最大，最大值發(fā)生在3#建筑物的西北角，沉降值為5 mm。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移對比

從2020 年6 月至2021 年10 月（基坑開挖至第八步開挖完成）的樁頂及深層水平位移監(jiān)測結(jié)果看（見圖7、圖8），最大變形發(fā)生在南側(cè)基坑中間部位，即T15 點(diǎn)位附近。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移云圖

圖8 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移變化曲線

從圖8 中可以看出，三種方式反映的基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化趨勢基本相同，隨著基坑的開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移逐漸加大。對于同一工況，三種方式得到的最大水平位移值是不同的。如開挖第一步時(shí)，實(shí)測最大水平位移值大于GTS 模型計(jì)算的最大水平位移值，這主要是由于南側(cè)施工道路活荷載及堆載引起的。對于其他工況，理正軟件模型和GTS 模型計(jì)算的最大水平位移結(jié)果都大于實(shí)測最大水平位移值，且理正軟件模型計(jì)算結(jié)果偏差更大。分析其原因，勘察報(bào)告中給出的土層參數(shù)相對較保守，且規(guī)范中的計(jì)算公式存在一定的安全系數(shù)，故計(jì)算結(jié)果偏大。

4 結(jié)論

（1）該支護(hù)方案對周邊建筑物沉降的控制是有效的。對于整體性較好、整體剛度大（如筏板基礎(chǔ)+剪力墻結(jié)構(gòu)）的建筑物，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其傾斜可能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的可能；對于長寬比較大的建筑物，需要密切關(guān)注其沉降值的變化。

（2）GTS 模型、理正模型和實(shí)測結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力、最大水平位移曲線的變化趨勢基本相同，受施工荷載及安全系數(shù)的影響，個(gè)別偏差幅度較大。經(jīng)對比，理正軟件計(jì)算結(jié)果和三維模擬計(jì)算結(jié)果均大于實(shí)測值，但后者差值幅度相對較小，其計(jì)算位移值更接近于實(shí)測值。

（3）三維有限元數(shù)值模擬分析計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要依賴于土體本構(gòu)模型及其參數(shù)的取值情況，雖然與實(shí)測結(jié)果有一定差距，但理論計(jì)算值反映的變化趨勢與實(shí)測結(jié)果基本一致，可作為復(fù)雜工況下的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的輔助工具。

（4）在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可將實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)與三維有限元模擬分析結(jié)果進(jìn)行對比，確定相關(guān)參數(shù)的取值情況，從而預(yù)測后續(xù)施工的安全性，必要時(shí)可調(diào)整設(shè)計(jì)方案，以確?；庸こ痰陌踩?。