陈颖辉1，汪凡茗1，欧明喜1,2, 王文举1
（1.昆明理工大学 建筑工程学院, 昆明 650500 2. 云南省土木工程防灾重点实验室, 昆明 650500）
摘要：为了探究Midas在基坑工程中的运用，以昆明市雅府嘉苑项目工程为背景、围护桩+内支撑的支护结构为研究对象，研究桩体的嵌固深度、内支撑的竖向间距和内支撑的刚度对于基坑变形沉降影响程度，研究结果表明：随着对参数进行变化，三个因素对周围地表沉降的改善效果是逐渐降低的，且对基坑稳定及周围环境造成最大影响的是内支撑刚度。
关键词：Midas GTS；基坑变形；影响因素；数值模拟
0 引言
随着城市化进程的加快，基坑工程的发展有了更多的新特点：规模大、开挖深、支护形式多样化等等，因此在工程建设中存在的一些问题也越发突出，基坑变形特性以及对周围环境的影响一直是工程建设中的重要问题。李四维等[1]使用有限元软件模拟基坑开挖，与实测结果进行对比后，基本吻合，并进一步研究了基坑尺寸、桩体嵌固深度、及施工工况对基坑变形规律的影响结果；吴会军等[2]通过研究得出深基坑支护方案优化的敏感性分析法，结合实例对各因素进行敏感度探究；么梦阳[3]通过数值模拟分析桩间距、桩径等因素的影响程度，并对支护方案进行优化，结果兼顾经济与安全性；王卫东等[4]充分考虑施工过程中隧道周围土体加固、利用时空效应开挖土方的等重要措施，通过数值模拟，对基坑的设计优化以及后续施工指导提供了有益的参考。
本文结合昆明市雅府嘉苑项目，使用MIDAS[5]软件进行模拟，分析基坑及坑后地表沉降变形规律，以便为类似工程方案优化提供一定借鉴。
1 工程概况
1.1 工程简介
本工程位于昆明市五华区茭菱路与春晖路交叉口的东南侧，场地北侧为茭菱路，东侧为大理公馆，南侧为昆明学院西二院两栋家属楼，西侧为春晖路，区位优势明显，交通十分便利。拟建设项目用地面积达到7648.08m2，规划有2栋26（30）层主楼和四层裙房，总建筑面积51577.40 m2，为框架剪力墙结构，管桩基础。项目整体下设置两层地下室，基坑开挖深度为10.711.2m，基坑周长为332m，基坑整体约为长方形，边角处不规则。
1.2 工程地质条件
拟建场地较为平整开阔，处于昆明断陷盆地的西部，属冲湖积盆地地貌。勘探孔口高程在1889.891890.13m之间，最大高差0.24m。根据地勘报告，填土、黏土、粉土、粉质黏土层为影响基坑支护设计的主要土层。
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1.3 水文地质条件
地下水类型主要为上层滞水以及孔隙型潜水[6]两类，前者主要赋存于杂填土中，动态变化大，主要受季节、降水影响，赋水性弱；后者主要赋存于各粉土层中，赋水性较好，受大气降水、地表水的入渗补给和控制。
1.4 原基坑支护设计方案
基坑采用“混凝土灌注桩+二道钢筋混凝土支撑体系”进行支护，开挖深度11.20m。基坑开挖深度超过10 m，因此由《建筑地基基础工程施工质量验收规范》[7] (GB 50202-2002)可知，该基坑安全等级为一级。地面冠梁层设置第一道内支撑，第二道距离第一道内支撑为4.8m。支护桩根据周边环境不同分别采用直径为800mm和1000mm的两种规格的灌注桩，嵌固深度6.8m，桩间距1.4m。基坑北侧和西侧为道路，支护桩采用直径800mm的长螺旋灌注桩，基坑南侧和东侧紧邻小区建筑，为本基坑的支护重点，支护桩采用1000mm直径的旋挖灌注桩。
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图2 支护结构剖面图
2 原方案数值模拟结果
通过采取刚度等效公式将围护桩转换为地连墙，东南侧厚0.63m，西北侧厚0.58m，通过地连墙的变形特性以表征围护桩的变形规律，桩长18m，格构柱长14.6m，基坑开挖11.2m，采用修正摩尔库伦本构模型，土层主要参数如下所示：
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2.1 基坑周边地表沉降
如下图4所示，选取基坑北侧地面，观察基坑周边地表沉降趋势：
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图4 基坑周边地表沉降曲线变化图
如图4，基坑周围地表沉降曲线[8]呈现凹陷性，与PECK所说的高斯分布曲线理论一致。基坑周围地表最大沉降为12.60mm，实际的测量数值为18.16mm，距离基坑边6.1m处，其为基坑开挖深度的0.55倍。
而通过观察曲线可知，基坑对于周围地表的主要影响范围为21m左右，约为2倍基坑开挖深度，其后为次要影响区。
2.2 支护结构水平位移
地下连续墙的水平位移曲线以表征围护桩的变形分布特征，如图所示：
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图6 围护结构水平位移变化曲线
当基坑没有开挖处于工况-2时，桩体只产生了微弱的水平位移，其分布并没有明显的变化。当铺设第二道内支撑后，桩体的水平位移分布曲线呈现出一种“弓形”，产生了最大水平位移为12.66mm，实测值则为15.00mm，位于桩长7.2m处；工况-6时，此时桩体在位于桩身8.1m处产生的最大水平位移为21.88mm，实测值则约为32mm。虽然通过模拟得出的数据与实际监测数据存在一定的差异，但是总体变化趋势是大致相同的，因此模型的可靠性是能够得到验证的。
3 基坑影响因素分析
在工程的数值模拟过程中，主要选取三个影响因素[9]，分别为：桩体的嵌固深度、内支撑的竖向间距和内支撑的刚度。对各支护因素分析观察影响程度。
3.1 桩体嵌固深度的影响性分析
研究桩体的嵌固深度对于基坑工程及周围环境的影响，分别选取嵌固深度为：3.4m、5.1m、6.8m、8.5m、10.2m、11.9m，建立有限元模型得到周围地表沉降的分布曲线：
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图7 嵌固深度对周围地表沉降影响曲线
根据上图可知，嵌固深度对于基坑周围地表沉降存在一定影响，随着嵌固深度的增大，明显可见坑后地表最大沉降逐渐变小，但是一味的增大桩体的嵌固深度并不能一直保持这种改善效果，当嵌固深度超过某一上限值的时候，地表最大沉降的减小速度开始降低，直至后来越来越小。可见嵌固深度对于地表沉降的改善效果是有限的。
3.2 内支撑竖向间距的影响性分析
本项目基坑的开挖深度为11.20m，第一道内支撑位于地表冠梁层，第二道内支撑与第一道内支撑间距为4.8m，为了研究内支撑竖向间距对于周围地表沉降和围护桩变形的影响，选取内支撑竖向间距为：3.2m、4.8m、6.4m、8m。建立有限元模型得到曲线如下：
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如图可知基坑周边地表沉降的分布特征呈现出“凹陷型”，最大沉降值出现在与坑边距离约0.55倍基坑开挖深度处。当内支撑的竖向间距为3.2m时，周边地表最大沉降为12.08mm。当内支撑竖向间距变化为8m时，最大沉降量约为13.98mm，可见随着内支撑竖向间距增大，周围地表的沉降也在不断增大，但内支撑竖向间距对于沉降的改善效果存在一个上限。
3.3 内支撑刚度的影响性分析
研究内支撑刚度对于基坑围护桩以及周围环境的影响，通过调整Midas输入参数，以本项目原有刚度为基准，将工况选取为基准刚度的倍数，分别为：0.4EI、0.6EI、0.8EI、EI、1.2EI、1.4EI。如下图所示为内支撑的刚度变化对于基坑周边地表沉降的分布特征曲线：
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由图可观测到当增加内支撑刚度时，会减少基坑周围地表的沉降值。当刚度为0.4EI时，基坑周边地表最大沉降约为17.71mm，而当刚度增加到1.4EI时，最大沉降则约为10.96mm，可见，刚度的变化，对于坑后地表沉降是有一定影响的。
4 结论
（1）在一定区间范围内，嵌固深度对沉降的改善减少11.68%，随着对参数进行变化，三个因素对周围地表沉降的改善效果是逐渐降低的。
（2）内支撑间距改动能够减少沉降为2.92%，内支撑刚度改动则减少11.76%，可见对基坑稳定及周围环境造成最大影响的是内支撑刚度。
（3）随着基坑的开挖，周围地表沉降曲线由平缓变化转换成“凹陷型”的分布特征曲线，最大沉降值出现在与坑边距离约6.1m处。工程施工主要影响区间大约为2倍基坑深度，最大沉降出现的位置约为0.55倍基坑深度。
（4）通过模拟值与实际监测数值对比，证明有限元模拟虽然在数值上跟实际数据具有着一定差别，但是其变化趋向是相似的，即通过MIDAS建立有限元模型模拟基坑开挖过程是可靠的。
参考文献：
[1]李四维,高华东,杨铁灯.深基坑开挖现场监测与数值模拟分析[J].岩土工程学报,2011,33(S1):291-298.
[2]吴会军,符晓,侯羽,郑祖静,杨健,姚俊伟.基于敏感性分析的深基坑支护方案优化研究[J].施工技术,2019,48(12):39-43.
[3]么梦阳.某深基坑桩锚支护的数值模拟及优化设计[J].建筑结构,2019,49(S1):786-789.
[4]王卫东,吴江斌,翁其平.基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟[J].岩土力学,2004(S2):251-255.
[5]王焕定,焦兆平.有限单元法基础[M].北京，高等教育出版社，2002.
[6]薛秀丽,曾超峰,郑刚.开挖前降水引发基坑变形特性及控制方法[J].地下空间与工程学报，2019.15(S1)：492-497.
[7]中华人民共和国建设部.建筑地基基础工程施工质量验收规范（GB50202-2002)[S].北京，中国计划出版社，2002.
[8]曹力桥.软土地区深基坑开挖坑底隆起的有限元分析[J].岩土工程学报，2013.35(S2)：819-824.
[9]阮祎萌.城市地下空间工程基坑支护设计与分析[J].建筑结构，2020.50(S1)：989-994.