湖北省城市地质工程院 湖北武汉 430074
摘要：本文以Midas NX二维模型为基础，通过对相邻基坑沉降、位移、支护结构受力分析，研究相邻基坑开挖相互影响情况。根据分析，己开挖的邻近基坑可减小后期开挖基坑支护结构或土体的水平位移和下层锚索轴力，同时邻近基坑对后期开挖基坑隆起位移影响不大。本文可为类似基坑支护设计工程提供经验参考。
关键词：相邻；深基坑；桩锚；影响；midas NX
Abstract：This paper is based on Midas NX two-dimensional model.Based on the analysis of the subsidence，displacement and support structure of adjacent excavation，the mutual influence of adjacent foundation pit excavation is studied.According to the analysis，the adjacent foundation pit excavation can reduce the horizontal displacement of excavation support structure or soil mass and the axial force of the lower anchor.At the same time，the adjacent foundation pit has little influence on the uplift displacement of excavation foundation.The article can provide experience reference for similar foundation pit support design project.
Key word：adjacent；deep foundation pit；pile anchor；influence；midas NX
随着城市建筑密度的增加，地下基坑工程越来越多，基坑工程的设计和施工条件变得更加复杂，出现基坑工程相互影响的情况越发常见，一侧基坑开挖除自身产生结构或土体变形外，也会影响相邻基坑的结构及土体或周边环境的变形。桩锚支护可用于不同深度的基坑，但锚杆容易产生超越红线、地下施工遇障碍物或毗邻建筑物基础等限制[2]。与其它支护方法相比，桩锚支护安全系数高，施工文明，便于土方开挖和地下室基础施工，这一支护方法在很多地区应用非常广泛，也取得良好的社会经济效益[3]。由于深长锚索的大量使用，前期基坑支护中使用的锚索深埋地下，往往会给后期相邻基坑的设计施工带来挑战，甚至出现邻近基坑锚索交叉影响的情况。本文主要以二维模型为基础，通过对紧邻开挖基坑沉降、位移、支护结构受力分析，研究相邻基坑开挖影响情况，从而为进一步优化基坑设计方案提供依据。
1.工程概况
本项目位于海南某市，分二个地块，暂分别称为地块一和地块二，二地块中间由规划市政道路分隔，用地红线相距约为40m，红线距拟建地下室外墙约5m，拟建多栋高层住宅，二地块均设三层整体地下室，二地块开挖面积共约40000m2，开挖周长1400m，地下室开挖深度均为13.78m，二地块项目属于同一开发业主，根据业主要求，项目基坑拟同期开挖施工。拟建场地地形开阔，原地势较为平坦，后经人工堆土，局部地势高低不平。场地原始地貌属滨海相堆积Ⅱ级阶地。
2.场地地质条件
综合勘察报告资料，在场地范围内，场地地层分别为人工堆填（Qml）形成的①层素填土；第四纪中更新统海相沉积（Q2m）形成的②层中砂；第四纪下更新统海相沉积（Q1m）形成的③层粘土、④层粗砂、⑤层粉质粘土、⑥粉砂层；第三纪中更新统海相沉积（N2m）形成的⑦层粉质粘土。基坑支护设计所需的各土层的物理力学参数指标如表1所示：
表1 基坑支护设计参数
Table 1 Design parameters of foundation pit support
据勘察报告资料，在钻探深度范围内各孔均揭露有地下水，主要赋存于④粗砂及⑤粉砂中，属于孔隙型潜水，补给来源以大气降雨入渗及层间渗流为主，含水层厚度较大，透水性较好，属强透水层，其稳定水位埋深分别为9.3m（高程为6.38m）、9.20m（高程为6.30m），水位变幅约1.0～1.5m。
3.基坑支护设计
本工程基坑支护结构安全等级按一级考虑。活动荷载：临近民房按20KPa每层考虑，施工地面荷载取30kpa，一般场地地面均布荷载为20kPa。二地块基坑支护型式采用钻孔灌注桩加三排预应力扩大头锚索支护，支护桩桩径1.0m，桩间距1.3m，锚索水平间距2.6m，扩大头直径300mm，锚索施工采用二次注浆工艺。由于透水砂层较厚、埋藏较深，为保证止水效果，桩后采用直径650mm@450mm三轴搅拌桩止水，止水桩均进入隔水层（第④-1粉质粘土层）不少于1.5m。二侧地块毗邻支护段土层一致，基坑开挖深度相同，因此采用相同的剖面支护形式。
图1 基坑平面布置简图
Fig 1 Floor plan of foundation pit.
图2 相邻桩锚支护剖面图
Fig 2 Adjacent pile anchor support profile.
4.二维有限元分析
本工程采用Midas GTS NX修正莫尔-库仑本构模型，支护结构采用线弹性模型。通过定义多个施工阶段，进行不同施工阶段内力及位移分析，验证结构的安全性及对周边环境的影响，从而指导方案的优化设计。采用有限元软件对本工程进行模拟分析，设置三排预应力锚索，倾角20°。为研究施工过程中各构件的荷载效应和变形分析，二维有限元模型中土体模型、灌注桩采用平面应变模拟。根据工程经验，模型计算范围取基底以下不小于2倍的基坑开挖深度。土体按照不同材料分为７层，材料参数按基坑支护模型材料参数表和基坑支设计参数表（表2）选取。本工程设计3层锚杆，按照实际施工工序，分步模拟基坑的施工过程，其中地块一先开挖至基底，地块二随后开挖至基底，模拟基坑开挖锚索相互影响及支护结构变形情况。Midas通过删减土体单元和增加结构支护单元（桩、锚杆单元）来模拟开挖和支护[4]。
表2 基坑支护模型材料参数表
Table 2 Foundation pit support model material parameters
图3 相邻基坑开挖分析模型
Fig 3 The analysis model of adjacent excavation
通过对比一侧基坑先行开挖至基底、另一侧基坑随后开挖至基底的水平位移云图可知（图4、图5），二侧基坑开挖至基底后，位移云图形态没有发生太大变化，总体而言支护结构或土体最大位移均发生在临坑底或略向下位置，计算所得先期开挖基坑位移最大值为7.69mm，后期开挖基坑位移最大值为5.67mm，最大位移值相较只进行一侧基坑开挖时略小，说明邻近基坑开挖对己开挖基坑的支护结构或土体水平位移影响是有利的。
图4 地块一基坑单独开挖到基底水平位移云图
Fig 4 The horizontal displacement cloud map of one side foundation pit excavation
图5 两地块基坑单独开挖到基底水平位移云图
Fig 5 The horizontal displacement cloud map of two sides foundation pit excavation
图6 地块一基坑单独开挖到基底垂直位移云图
Fig 6 The Vertical displacement cloud map of one side foundation pit excavation
图7 两地块基坑单独开挖到基底垂直位移云图
Fig 7 The Vertical displacement cloud map of two sides foundation pit excavation
通过对比一侧基坑先行开挖至基底、另一侧基坑随后开挖至基底的垂直位移云图可知（图6、图7），二侧基坑开挖至基底后，位移云图形态基本相同，总体坑底垂直位移最大（坑底隆起），且从坑底边缘向基坑中心隆起逐渐加大。计算表明，仅一侧基坑开挖时最大隆起位移为17.5mm，一侧基坑开挖完成随后开挖另一侧基坑最大隆起位移17.1mm。总体而言一侧基坑开挖时隆起位移与另一侧基坑随后开挖时隆起位移最大值基本相同，说明邻近基坑开挖对隆起位移无重大影响。坑顶范围内，临基坑边沿远离基坑方向沉降逐渐加大，计算表明，仅一侧基坑开挖时坑顶最大沉降位移为6.54mm，一侧基坑开挖完成随后开挖另一侧基坑最大沉降位移为7.93mm。其沉降最大值二侧基坑开挖相较一侧基坑开挖数值略大，可能因沉降叠加影响形成。
图8 地块一基坑单独开挖到基底锚索轴力图
Fig 8 The Anchor line diagram of one side foundation pit excavation
图9 两地块基坑单独开挖到基底锚索轴力图
Fig 9 The Anchor line diagram of two sides foundation pit excavation
通过对比一侧基坑先行开挖至基底、另一侧基坑随后开挖至基底的锚索轴力云图可知（图8、图9），另一侧基坑开挖对先行开挖基坑锚索轴力分布无重大影响（先行开挖基坑轴力分布形态及数值大小基本相同），但后期开挖基坑锚索第三排轴力明显变小，一侧开挖时最底层锚索自由段最大轴力为439KN，一侧基坑开挖完成随后开挖另一侧基坑最底层锚索自由段最大轴力约为380KN，说明邻近基坑可减小新基坑的结构受力，存在邻近基坑对新基坑的正面影响。
4.结论
根据施工期间及后期监测数据显示，本次实例中二侧基坑开挖至基底后最大水平位移和垂直位移均控制在规范允许范围内，未出现明显地面变形或结构破坏现象。本文运用MIDAS GTS NX 有限元软件建立二维深基坑模型，将土体划分有限网格单元，建立周边荷载条件、边界条件，利用莫尔-库伦本构模型，分析相邻基坑锚索相互影响情况。根据模型的计算结果，经分析得出如下结论：（1）邻近基坑开挖可减小后期开挖基坑支护结构或土体的水平位移；（2）邻近基坑开挖对隆起位移影响不大，但坑顶可能造成沉降叠加，从而进一步加大坑顶的最终沉降量；（3）邻近基坑可减小新基坑底层锚索的结构受力，存在邻近基坑对新基坑的正面影响。
参考文献：
[1]陈忠汉.深基坑工程[M].2版.北京（机械工业出版社），2002.
[2]JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程[s].
[3]雷贵华.海南某地块深基坑工程设计实例.资源环境与工程[J].2016，30（1）：100-104.
[4]张勇，赖惠成．基于Midas技术的多层分布式应用程序开发［Ｊ］．新疆大学学报，2003，20（2）：139-141.
[5]李明英，曾明.基于MIDAS深基坑桩锚支护数值模拟分析.水土保持研究[J].2012，19（1）：250-253.
论文作者:田野,罗飞
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/31
标签：基坑论文; 位移论文; 基底论文; 地块论文; 结构论文; 云图论文; 模型论文; 《建筑模拟》2018年第10期论文;