汪亞林，李大華，陳碩豪，王 迪

（1.安徽建筑大學土木工程學院，合肥 230601；2.馬鞍山首建工程質量檢測咨詢有限公司，安徽馬鞍山 243000）

隨著城市化進程的加快，城市的高層建筑以及地下工程越來越普遍，深大基坑在開挖過程中，難度和復雜性較大，需要考慮的安全因素眾多，這也導致了一系列關于深基坑開挖與支護出現(xiàn)的問題。因此，有必要在基坑開挖過程中進行變形監(jiān)測和數(shù)值模擬分析，確保開挖過程安全以及基坑周圍建筑物的安全。國內外對深基坑開挖與支護的研究很多，支護方式也有許多，比較常見的有土釘墻支護，排樁支護，地下連續(xù)墻支護等，但是在深大基坑開挖與支護的研究上還是略顯不足。[1-3]在基坑開挖時，基坑內部會因為土體自重卸荷產生的應力釋放發(fā)生應力重分布引起位移變化，主要的位移變化有三種，分別是基坑圍護結構位移，基坑底部土體向上隆起和基坑外側地表沉降。這三種位移變形存在著一定的相關性，在基坑施工過程中，基坑內側的土體被開挖，開挖的土體自重應力消失，從而引起基坑側壁和基坑底部土體的應力得到釋放，導致基坑內側圍護結構發(fā)生位移，基坑底部土體產生隆起現(xiàn)象，同時土體的整體位移會致使基坑外側地表產生沉降。各個基坑因為周圍的水文地質環(huán)境不同，開挖深度不同以及支護結構措施不同，所產生的危險影響也不同，所以對基坑開挖的數(shù)值模擬分析是必不可少的。

本文依托合肥市某蓄水池深基坑工程為背景，對基坑開挖進行施工監(jiān)測，利用MIDAS/GTS NX 軟件對基坑開挖支護過程進行模擬，經(jīng)過對該深大基坑支護方法的研究，可為類似條件下，深大基坑開挖及支護提供安全可靠的參考。經(jīng)過數(shù)值模擬驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性，得出使用有限元軟件來模擬實際工程是可靠的，為優(yōu)化施工方案和工程安全提供了保障。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

該蓄水池基坑位于合肥市蜀山區(qū)，基坑開挖平面面積約為5 968.04m2，基坑長約為100 m，寬約為60 m，開挖深度約為9 m。分三次開挖，每次開挖3 m，基坑的支護體系是圍護樁加內支撐體系，開挖一和開挖二使用圈梁和內支撐進行支護，開挖三使用圈梁和錨桿進行支護。基坑平面圖見圖1。

圖1 基坑平面圖

1.2 地質條件

該工程附近地區(qū)的土體主要由三層組成：第一層為粉質粘土夾粉土，顏色呈灰黃色，青灰色；第二層為粉土，顏色呈灰黑色，褐黃色；第三層為粉質粘土，顏色呈灰褐色，灰黃色。這三層土體及巖石土層的計算指標見表1。

表1 各巖土層計算指標

1.3 工程監(jiān)測頻率及預警值

深基坑監(jiān)測工作是基坑開挖與支護作業(yè)的重點階段之一，需要根據(jù)施工工況，適當加密監(jiān)測頻率。測點布置應根據(jù)施工階段，如交通導改、管線遷移、圍護結構施工、基坑開挖及回填等情況布置，遇到障礙物可適當做調整[4]，并且時刻保持布點圖的更新，與實際保持一致。監(jiān)測點需要反映監(jiān)測對象的實際狀態(tài)及變化趨勢，應布置在內力關鍵特征點上，并減少對施工作業(yè)不利影響。監(jiān)測內容不同相對應的監(jiān)測報警值和監(jiān)測時間也不同，而現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)既可以保證施工作業(yè)安全順利地進行，又為我們后續(xù)使用有限元分析軟件建立模型提供了現(xiàn)實依據(jù)。本基坑工程的監(jiān)測內容與預警值見表2。

表2 監(jiān)測頻率及預警值

2 有限元模型的建立

2.1 建模前的準備

MIDAS-GTS 軟件分析功能強大，操作頁面簡潔，模擬準確度較高，適用于各種基坑工程的模型建立與分析[5-6]，因此本文運用該軟件對此基坑進行數(shù)值模擬分析，結合實測數(shù)據(jù)討論基坑開挖時的位移變形和沉降影響。

基坑圍護體系采用排樁圍護結構，建模時考慮到鉆孔灌注樁與地下連續(xù)墻具有相似的受力方式，按樁墻抗彎剛度等效原則將排樁結構等效轉化為地下連續(xù)墻?？筛鶕?jù)以下公式對等效地連墻厚度進行計算獲取

其中：d——圍護樁的直徑，mm；s——圍護樁的樁間凈距，mm；E0——等效地連墻的彈性模量；t——等效地連墻厚度，mm；E1——圍護樁的彈性模量（一般為所用混凝土的彈性模量）。

根據(jù)上式所求得本模型等效地連墻厚度為1 002mm，取1 000mm?；庸こ炭蛇x用的模型類型有修正莫爾-庫倫、莫爾-庫倫和劍橋模型等，本文數(shù)值分析模型采用的是修正-莫爾庫倫本構體系。土體的修正莫爾-庫倫模型參數(shù)見表3。

表3 土體修正莫爾-庫倫模型參數(shù)

2.2 建模步驟

（1）設置材料及屬性：建立一個重力方向為Z三維模型，設置好單位系統(tǒng)。接著把三層土體的屬性和建模所需要用到的材料及其屬性設置完成，該基坑開挖與支護所需要用到的材料及屬性見表4。

表4 基坑圍護結構材料及其屬性

（2）拓展實體：導入事先建立好的DWG 二維線框，把基坑立柱從水平方向旋轉到豎直方向。在幾何選項中進行實體擴展，包括基坑實體和三層土體的實體，土體的實體擴展體積為400m×300m×36m。

（3）分割實體：采用布爾運算對三層土體以及基坑開挖深度和降水區(qū)域進行劃分。

（4）印刻：由于基坑立柱是1D 梁單元，所以在生成網(wǎng)格之前要進行自動印刻保證基坑立柱與周圍實體節(jié)點耦合。

（5）劃分網(wǎng)格：基坑尺寸為2.5,使用混合網(wǎng)格生成器，在基坑實體劃分的過程中選擇高級表單將基坑一并劃分，使其節(jié)點耦合。三層土體單獨劃分，土體劃分尺寸為10。

（6）析?。翰捎脦缀挝鋈〉姆绞缴傻剡B墻、圈梁和內支撐。生成完如圖2所示。

圖2 圍護結構生成圖

（7）設置錨桿：使用錨建模助手在第三次開挖設置錨桿，錨桿的未灌漿長度為4m，灌漿長度為6m，錨桿的預應力為100kN。

（8）屬性更改：在網(wǎng)格全部生成完成后，將所有的結構單元屬性更改準確，并分號不同類型，便于后續(xù)操作。

（9）給與約束：對于基坑立柱，設置RZ約束。對于整個模型，設置自動邊界約束。最后定義自重荷載。

3 基坑及土體變形及沉降分析

基坑變形主要由圍護結構位移、基坑底部隆起、坑外側地表土體位移三部分組成，三者相互影響，相互聯(lián)系。

3.1 基坑圍護結構變形

有限元軟件數(shù)值模擬分析結果如圖3 所示，即基坑開挖2-3 完成后基坑圍護結構的水平位移云圖。由圖3 可以看出，圍護結構的水平位移在基坑兩端處呈連續(xù)倒三角形狀，基坑開挖越深處水平位移越明顯，最大達到了約7.08mm，隨著基坑不斷地開挖，地連墻的水平位移越來越大，這是由于在基坑施工過程中，基坑內側的土體被開挖，開挖的土體自重應力消失，從而引起基坑側壁和基坑底部土體的應力得到釋放，導致基坑內側圍護結構發(fā)生位移。由線上圖可以看出，開挖1-3結束后，圍護樁頂端的水平位移都是呈先增大后減小，其峰值都是在靠近中間點和地連墻兩端之間。從數(shù)值模擬得到的云圖可以看出，該基坑圍護結構的變形并未超過預警值。

圖3 開挖2-3地連墻位移云圖

3.2 基坑底部隆起

如圖4所示，隨著基坑開挖不斷地進行，基坑底部的土體因為開挖的土體自重應力的消失，會產生隆起[7-10]，導致基坑底部出現(xiàn)“ 大肚子”現(xiàn)象。當基坑開挖到最底部時，基坑底部土體應力得到釋放，產生了向上隆起，由外向內逐漸增大，在基坑底部中段達到最大，約為10.2mm。由線上圖可以看出，當進行完開挖3 后基坑底部土體的向上位移呈先增大后減小趨勢，基坑立柱所在的周圍基坑隆起較不明顯。

圖4 基坑整體豎向位移云圖

3.3 基坑外側地表沉降

如圖5 所示，在基坑開挖過程中，由于開挖的土體的自重應力和側向土壓力的消失，會對基坑外表面土體產生水平和豎直方向的影響，其中我們最應該關注基坑外側的地表沉降?；娱_挖完成后，坑外地表沉降隨著距離變遠影響逐漸減小，由整體豎向云圖可知，坑外地表沉降在開挖3后達到最大，可達約24.7mm。地表沉降的影響范圍是基坑開挖深度的6-7倍左右，影響范圍最大在基坑開挖深度2倍以內。由開挖1-3的地表沉降線上圖可以看出，基坑周圍地表沉降由基坑周邊向外呈先減小后增大趨勢，最大沉降點一般在基坑的周圍，所以基坑周邊附近的土體位移需要加以關注，避免事故的發(fā)生。

圖5 基坑外地表沉降云圖

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

經(jīng)過監(jiān)測結果與數(shù)值模擬結果進行了對比，如表5所示，發(fā)現(xiàn)實測值略大于模擬值且誤差都在5%以下，證明了數(shù)值模擬的準確性。

表5 監(jiān)測結果與模擬值對比

4 圍護結構的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化圍護樁樁徑

本文建立的模型中將基坑周邊的圍護樁等效成了地連墻，所以要想改變圍護樁的樁徑，就等同于改變地連墻的厚度。[11-12]原本的模型中地連墻的厚度為1 000 mm，使用控制單一變量的方法，只改變地連墻的厚度，得出相應的模型結果。分別設置厚度T 為800 mm，900 mm，1 000 mm（原本），1 100 mm，1 200 mm，1 300 mm為對照組進行模擬得出圍護結構X方向水平位移?；訃o結構X方向的最大水平位移隨著地連墻的厚度增加而減小，減小趨勢在厚度增加到1 200 mm以后趨于平緩，影響范圍也在逐漸減小。地連墻厚度在1 200 mm時，最大位移約為6.83 mm，而原來厚度為1000mm時的最大位移約為7.08mm。相比較于之前，安全系數(shù)得到了有效的提升，最大位移變化如圖6所示。

圖6 位移變化折線圖

4.2 優(yōu)化錨桿嵌入角度

該基坑原本的錨桿與水平向夾角角度為20°，本文設置了四個對照組分別為15°，20°（原本），25°，30°來優(yōu)化圍護結構，得到的圍護結構位移云圖如圖7所示。從下圖對比可以看出：調整錨桿與水平向夾角，會對基坑變形產生影響，本項目錨桿與水平向夾角為15°和30°時相較于原設計基坑變形增大，而在25°時，相較于原設計基坑變形減小，所以想要改變錨桿嵌入角度來優(yōu)化基坑支護方案，錨桿與水平向夾角并非越大越好。錨桿角度越大，位于下方持力層的錨桿錨固段更長且力學性能更好，但由于水平方向的分力減少，所以反而使得錨桿的作用發(fā)揮不佳。

圖7 不同錨桿水平角度下基坑支護結構位移

5 結論

結合該基坑工程開挖與支護的案例，并用MIDAS/GTS 軟件對該工程進行模擬，設置施工工況，分析基坑開挖時出現(xiàn)的不利影響和對周圍土體的影響，得到的結論如下：

（1）隨著基坑開挖深度增加，圍護結構的水平位移逐漸增大，對周圍外表面的土體沉降影響逐漸增強，基坑底部土體會出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

（2）基坑工程所設置的圍護樁、圈梁、內支撐以及錨桿組成的圍護支撐結構有效地控制了基坑開挖對基坑外表面土體沉降的影響，保障周圍其他建筑物的安全。

（3）隨著基坑開挖深度增加，周圍外表面的土體沉降顯著。該基坑開挖對外表面土體沉降的影響范圍在開挖深度的6-7倍左右，影響最深的地方在基坑開挖的墻邊。

（4）優(yōu)化該基坑的圍護樁樁徑，發(fā)現(xiàn)在地連墻厚度為1200mm 時，該基坑的支護結構更加安全穩(wěn)固，支護效果更佳。

（5）改變該基坑錨桿與水平向夾角，發(fā)現(xiàn)在角度并非越大越好，在25°時基坑變形較小，支護效果最佳。