谷文倩，呂秋玲，汪東林

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230000)

0 引言

由于城市內涌現出大量建筑物，這使得擬建工程與周邊原有的建(構)筑物之間的關系變得復雜，因此在建設前期必須要考慮新建建筑物基坑開挖是否會對周邊建筑物造成影響[1].鄰近建筑物的變形與基坑圍護結構變形以及基坑底部隆起密切相關[2]，本文從研究圍護結構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,根據場地的地質地貌和周邊環(huán)境條件、基坑支護方案，探究基坑圍護結構與基坑底部的變形機理，保證基坑開挖過程的穩(wěn)定，并求解對鄰近建筑的擾動降至最小的方案.

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.采用地連墻與內支撐、錨桿的基坑復合支護形式，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氣候區(qū)，年平均降水日數為121天.根據鉆探分析結果，該場地土質有粉質粘土夾粉土、粉土、粉質粘土和強風化粉砂質泥巖，具體如下分析：

(1)粉質粘土夾粉土.韌性低，富有鐵錳質結核、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)粉質粘土.硬塑狀，稍有光澤，含黑色鐵錳質結核，該層土全場分布，平均厚度約12 m；

(4)強風化粉砂質泥巖.層狀結構，巖體完整性較差，內含礦物成分石英、云母等，該層土質遍布整個場區(qū)，平均厚度約13 m.

土體計算參數如表1所列，模型材料參數見如2所列.

表1 土體計算參數表

表2 模型材料參數

2 基坑的數值模型

2.1 MIDAS GTS NX介紹

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

2.2 參數設置與施工階段模擬

修正摩爾庫倫模型考慮加載和卸載時彈性模量不同[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，從而保證了計算的精確度.故本工程巖土材料采用修正摩爾庫倫模型，結構材料選用彈性本構模型[7].

根據具體情況，模型尺寸為X方向150 m，Y方向105 m，Z方向42 m.為了更貼合實際，選用混合網格生成器，定義施工階段為：初始應力分析、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.根據以上分析參數設置構建的三維模型如圖1所示.

圖1 基坑開挖軸視圖

3 模擬結果與數值分析

3.1 地連墻整體坐標系水平方向的位移

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層土時，地連墻橫軸方向最大位移為0.5 mm；開挖第2層時，地連墻橫軸方向最大位移為1.7 mm；開挖第3層時，地連墻橫軸方向最大位移為3.3 mm；開挖第4層時，地連墻橫軸方向最大位移為5.8 mm.根據圖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正相關，縱軸方向位移情況如圖3所示.開挖第1層土時，地連墻水平縱軸方向最大位移為1.2 mm；開挖第2層時，地連墻縱軸方向最大位移為1.6 mm；開挖第3層時，地連墻縱軸方向最大位移為2.3 mm；開挖第4層時，地連墻縱軸方向最大位移為3.9 mm.根據圖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.因為受到鄰近建筑物的影響，地連墻靠近建筑物的一側變形更大，施工時需要注意.

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了不斷增加的趨勢[8]，最大水平位移位置逐漸下降.

3.2 地連墻厚度對圍護結構水平位移的影響

鄰近建筑物的變形與圍護結構的變形密切相關，控制好圍護結構的位移是至關重要的.固定其余參數，從改變地連墻厚度的方面來探究圍護結構變形的規(guī)律，并用有限元軟件模擬試驗，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，對應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，對應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結構位移，但是這種控制是有限度的，當地連墻厚度達到1.2 m 后再增加厚度，其變形基本不變.因為基坑未開挖時，土體處于應力平衡狀態(tài)，隨著工況的開展，圍護結構內部土體不斷減少，這使得地連墻內外土體產生了一個高程差，地連墻外側土體有向坑內移動的趨勢，從而擠壓地連墻向基坑內部彎曲產生位移，故增加地連墻厚度可以抵御這種位移.影響圍護結構位移的因素有很多，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，由于坑內土體減少，坑底土體應力釋放而引發(fā)的一種現象.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，它的特點是中間高兩邊低，大致呈山峰型.彈性隆起，顧名思義，它是一種可以恢復的變形，持續(xù)時間較短，一般來說，開挖結束后會恢復.當基坑開挖深度不斷增大，就會產生變形形式呈波浪形的塑性隆起，這種變形不能消失[9-10].

根據有限元軟件，計算出基坑隆起值是26.3 mm，基坑最大位移位于中部，兩邊位移不斷減小，本工程基底隆起結構如圖5所示.

圖5 基底隆起

為驗證模型計算結果的可靠性，引入基底隆起值經驗計算公式進行對比分析，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表示內摩擦角(°)；D表示墻體入土深度(m).

將模型代入計算公式，得到基坑坑底隆起28.1 mm，與Midas GTS NX軟件計算結果相比，經驗公式得到的計算結果略大，這是因為經驗公式未考慮坑底墊層施工及空間效應對坑底隆起的影響，但是兩種結果都符合要求.

4 結語

本文針對合肥市某寫字樓基坑工程開挖涉及的問題，采用有限元數值模擬法和經驗公式法對比分析，得到以下結論：①隨著基坑的不斷開挖，地連墻的水平位移按工況逐級增大，最大位移SMAX出現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樁結構參數對基坑變形的影響，經過有限元軟件模擬可知，在1.2 m范圍內增加厚度對基坑變形有一定控制效果；③Midas GTS軟件計算出的基坑隆起結果與經驗公式計算結果基本吻合.