midas gts nx模拟分析基坑开挖对周边建筑物沉降的影响

midas gts nx模拟分析基坑开挖对周边建筑物沉降的影响

盛勇飞

摘要：超大超深基坑开挖过程中，无论基坑采取什么类型的支护方式，都很难避免其对周围临近建筑物的影响，使建筑物产生沉降或者开裂，严重时甚至倒塌。本文主要以广州琶洲某地块基坑工程为例，采用midas gts nx模拟了基坑开挖及支护的整个过程，利用midas公司开发的大型岩土类三维有限元软件gts nx分析基坑开挖过程中既有建筑物沉降变形规律。结果显示：随着基坑逐步开挖，临近建筑物沉降逐步加大，且建筑不同位置表现出离开挖面越近的地方沉降越大的特点，建筑物有向基坑边方向倾斜的趋势。

关键词：深基坑；开挖；支护；三维有限元；建筑沉降

1、背景

高层建筑的基础埋深一般较大，这对于增加建筑物的稳定性和充分利用地下空间是有利的。但是，在城市建筑物密集地区，深基础给施工带来很多困难的同时也给周边建筑物安全提出了挑战，无论基坑采取何种支护方式，都很难做到使周边建筑物零沉降，因为基坑开挖过程是一个个逐步卸荷的过程，每开挖完一步，周围土体都会出现应力释放（包括土压力和水压力，为保证基坑开挖始终在地下水位以上及减小周边水压力，需要适度的降水），释放的应力时主要由基坑支护结构来承担，这样支护结构受力产生变形从而引起支护外面土体的位移和沉降，且离开挖面越远这种趋势越不明显，所以就造成周边建筑物的不均匀沉降，使建筑物产生次应力，可能改变结构的受力形式，如果超过建筑物原来的结构设计承载必然就会出现裂缝，进而影响建筑物的安全。

2、工程概述

本基坑支护工程位于广州市天河区琶洲某地块，基坑呈标准长方形，长边约132.6m，短边约72.4m，开挖深度大部分为8m，局部塔楼区域10m，由于靠近珠江，支护结构采用C30混凝土连续墙，并用作止水帷幕，宽度1m，竖向设两道内支撑，钢筋混凝土内支撑截面均采用b×h=1000mm×900mm，基坑内支撑平面布置如图1所示。基坑支护结构剖面示意图如图2，既有建筑物为4层砌体老式办公楼，东西向长度约31m，南北向约70m，地基为天然基础且无

地下室。

图1 内支撑平面布置图

图2 内支撑剖面示意图3、计算模型说明

3.1、计算模型及参数选用

本基坑工程在数值模拟过程中采用三维模型，运用midas gts nx有限元软件建立三维有限元计算模型，其中各类岩土、建筑物用实体单元模拟，连续墙用板单元模拟，立柱及内支撑用梁单元模拟，共划分了268003个有限单元，三维有限元模型整体网格划分如图3所示，由于开挖深度为8~10m，本文本为了方便分析，开挖深度均设为8m，一般基坑影响范围为3~5倍开挖深度，本工程偏于分析，取四周影响范围均为外扩60m，不同土层采用不同的材料参数模拟，土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型。边界条件选取顶面为自由面，底面铰接，四周四个面采取法向约束。计算荷载考虑建筑物的自重、土体竖向自重、场地西北角堆场的均布压力荷载20kpa 等。土层参数如表1所示、各类支护结构材料参数如表2所示。

图3 三维计算模型

表1 各土层材料参数

层号 1 2 3 4 5 6

土层名称填

土粘

土

砾

砂

强

风

化

中

风

化

微

风

化

层厚/m 2 3 3 4 8 5

重度/（KN.m-3）18 19.

7

20 18.

6

26 26.

2

弹性模量/Mpa 10 15 28 70 100

250

泊松比0.4

7 0.4 0.

4

0.3

9

0.4

5

0.4

6

粘聚力/kpa 10 15 15 30 300

450

内摩擦角12 12 32 27.

5 40 40.

5

表2 各支护结构材料参数

材料类型弹性模量

/Mpa

泊松比密度

/g.cm-3

内支撑2800 0.2 2.5 立柱20600 0.18 7.85 连续墙3000 0.2 2.5 冠梁、

腰梁

2800 0.2 2.5

3.2、有限元分析

Midas gts nx软件的施工阶段管理功能非常适用于各类基坑工程开挖支护模拟，定义施工阶段时只需将要分析的单元数据放入激活组，不需要分析计算的单元数据拖至钝化组，程序自动生成各个施工开挖及支护步骤。本文主要分析了7个工况模拟基坑开挖及支护的全过程。第一步：初始地应力状态；第二步：施工连续墙；第三步：开挖至-1.0m；第四步：施工第一道内支撑；第五步：开挖至-5.0m；第六步：施工第二道内支撑；第七步：开挖至-8.0m；

4、计算结果分析

4.1、支护结构变形分析

基坑开挖过程中，支护结构位移及沉降变形云图如下图4~8：

图4 （第三步：开挖至-1.0m），支护

结构变形云图

图5（第四步：施工第一道内支撑），支护结构变形云图

图6（第五步：开挖至-5.0m），支护结构变形云图

图7（第六步：施工第二道内支撑），支护结构变形云图

图8（第七步：开挖至-8.0m），支护结构变形云图

从计算分析可知，在开始开挖-1m 时，结构最大变形为3.78mm，在开挖完成时，变形达到最大13.47mm。故有这样规律，在基坑开挖过程中，周围土压力应力释放，释放的应力由支护结构来承担，随着开挖深度的增加，应力越大，支护结构变形越大。

4.2、建筑物变形分析

在基坑开挖过程中，下面将开挖工序建筑物位移及沉降变形云图如下：

图 4 （第三步：开挖至-1.0m），建筑物变形云图（粉色为未变形轮廓）

图 5 （第五步：开挖至-5.0m），建筑