赵殿鹏 潘国华 姚 平

1. 浙江省交通工程管理中心 浙江 杭州 311215

2. 杭州交投建设工程有限公司 浙江 杭州 310004

3. 中交第二航务工程局有限公司 湖北 武汉 430040

1 概述

城市中大型建筑物的建设往往涉及到大型基坑开挖的问题。由于城市中用地限制、交通、临近建筑物、地下管线等的影响，基坑不能完全放坡开挖。基坑施工以及支护方式会对基坑周围的变形产生很大的影响。因此，采取合适的开挖及支护方式尤为重要。有限元模拟计算是用以选择基坑施工和支护方式的重要参考依据，是非常适用的工具。有限元可以模拟各种基坑开挖方式后的变形、应力以及稳定性。同时，可以通过对比得到各种支护方式的有效性。

用于基坑开挖模拟计算的计算软件有Midas GTS、FALC 3D、ABAQUS等[1]。杨大兵[2]等采用了FLAC3D有限差分软件分析了基坑开挖中岩土体及支护结构的变形规律，并分析了基坑的稳定性。丁毅[3]等采用有限元软件PLAXIS研究了超大、超长基坑开挖对临近地铁结构安全的影响，通过软件模拟动态基坑开挖并与实际相比较，验证了软件的实用性。乔景顺采用了Midas GTS对传达基坑进行了模拟开挖，并参考模拟结果确定了施工预案，采取了适宜的支护措施[4]。数值分析软件被大量应用于基坑开挖模拟。然而，对于超大基坑，由于开挖体积量较大，在软件计算中如果按照实际尺寸进行开挖模拟，必然会有模型网格节点多、计算量大、耗时长的问题。因此，在满足计算精度要求的同时，可以对模型进行优化，从而高效、省时的完成模拟。

本文依托浙江省某船闸基坑施工项目，采用有限元软件Midas GTS进行不同尺寸的有限元模型记性数值计算，对不同尺寸的基坑模型进行沉降值和水平位移变化规律进行分析，对计算模型尺寸进行优化研究。为大型基坑数值模拟简化计算提供参考。

2 模型建立

2.1 工程概况

浙江杭州某新建船闸为两线共用引航道，两线船闸中心线距离为55m。船闸主要建筑物为上、下闸首、闸室、上、下游引航道、引航道连接段、口门导堤等，闸首及闸室组成的船闸主体纵向长387.5m，上、下游引航道直线段分别为505.3m和438m，底宽分别为100m和110m。两线船闸下闸同步开挖现浇，基坑开挖尺寸较大，南侧开挖长度达到近200 m。基坑施工的同时，距离基坑南侧边缘中部45m的地方同时在进行公路桥梁施工。基坑采用放坡开挖后，基坑边缘距离桥梁施工位置仅有20m左右。为研究基坑开挖对桥梁建筑物的影响，采用了有限元软件进行分析。然而，由于基坑开挖大，在数值模拟中耗时较长，因此采用有限元软件Midas GTS对基坑模型进行简化研究。

2.2 计算参数选取

根据现场资料及设计文件，场区土体从上到下分别为粉土①、粉土②、粉土③、粉质黏土、黏土，岩土体参数如下表1所示。土体本构模型采用修正库伦-摩尔模型。

表1 土体参数表

2.3 模型建立

根据设计资料，建立了五个计算模型，分别为①按原尺寸建立模型大小为400m×230m×50m，中间基坑开挖大小为200m×30m；②模型大小为275m×200m×50m，基坑尺寸为200m×30m，；③模型大小为275m×100m×50m，基坑尺寸为100m×30m；④模型大小为275m×50m×50m，基坑尺寸为50m×30m；⑤模型大小为275m×30m×50m，基坑尺寸为30m×30m，建立模型如下图1所示。基坑施工中，均采用放坡开挖，坡率为1:1.5。

模型建立后，将模型底面设置为x、y、z方向均固定的边界，模型中与x轴垂直的两个侧面设置为x方向固定边界，与y轴垂直的两个侧面设置y方向固定边界，模型顶面设置为自由边界。

3 结果分析

通过计算，获得了基坑开挖后南侧临近地面的沉降值与水平位移值，水平位移值主要考虑向基坑边坡临空方向的变形。

3.1 沉降值分析

将计算后得到的沉降值进行整理后，采用Origin绘制了图表。下图2为按照原尺寸进行开挖计算得到的基坑沉降三维图，图3为计算模型②沉降值三维图。图中Z坐标代表沉降值，X、Y坐标分别代表基坑长度与距离基坑边缘距离，箭头方向为X方向。

图2 模型①沉降3D图

按照原始尺寸开挖得到的计算模型沉降值如图2所示，图2下部为沉降的3D分布图，上部平面为在XY平面投影撑撑的平面图。从X方向看，开挖后基坑边缘产生的沉降由两侧向中部先逐渐增大，两侧往中部60m左右，沉降值达到最大值，不再增加，最大值为11.8 mm。基坑中心线两边沉降值呈对称分布。从Y方向看，基坑两侧从基坑边缘到与基坑边缘70m处产生的沉降值变化很小，越靠近中部，呈现为越靠近基坑边缘，沉降值越大。结合图2的上下部分3D图和平面投影图可以清楚看出其规律。

图3 模型②沉降3D图

上图3为模型②的沉降值三维分布图及平面投影图。由图，在X方向上，从基坑两侧向中部产生的位移值几乎没有变化。其三维分布图为单曲图，在长度方向上没有变化，只随着与基坑边缘的距离增大逐渐减小，呈非线性变化。其最大沉降值达到12.5mm，相比按照原尺寸开挖有所增大，分布规律也反映到平面投影图上，如图3上部所示。

对比图2、图3，两模型由于在基坑两侧施加的位移不同，产生的沉降出现了差异变化。在图2中，由于基坑两侧有土体约束，因此，两侧发生的沉降值并不大，向中部距离变大时，沉降值增大，达到一定距离时，最大沉降值趋于稳定，可知基坑拐角处土体相互约束会减少土体的沉降量。而图3中两侧采用的边界约束为固定X向变形约束，Y、Z向没有约束，因此，两侧与中部变形变化很小。模型②中部产生的最大沉降值大于模型①，但相差并不大。

图4 基坑中部沉降值图

上图4为五个基坑模型长边中心线从基坑边缘到距离基坑边缘100m处两点直线上的沉降值，由图可以看出，随着距离基坑边缘距离的增大，沉降值逐渐减小，呈非线性变化。同时，模型②、③、④产生的沉降值几乎重合。模型①的沉降线小于模型②、③、④，大于模型⑤，模型⑤产生的沉降值最小。

3.2 水平位移分析

水平位移方面考虑基坑地面向临空面的位移，通过计算得到水平位移变形的规律与沉降值变形规律一致。在模型①中呈现出基坑中间部位一段距离水平位移值大，向两边对称对称减小。模型②、③、④、⑤中，产生的水平位移沿基坑长度方向均不发生变化；同时，距离巨坑距离越大，产生的位移逐渐减小。五个模型从距离基坑边缘0m到100m处的水平位移变化图如下图5所示。

图5 基坑中部水平位移值图

通过对比图4与图5可以看出，基坑中部的水平位移分布规律与沉降值分布规律相似。模型②、③、④产生的水平位移图几乎相似，其位移变化线重合，且大于模型①，模型⑤最小。

综合上述沉降值与水平位移值变化规律分析可得，在基坑模型计算中，当基坑长度大，临近重要建筑物位于基坑长边中部位置时，对基坑进行数值模拟时，可以将模型进行简化。

通过简化后的模型结果对比分析，当基坑长度大于50 m时，基坑周围地面产生的沉降值与水平位移大致相等，且略大于原状基坑开挖；当长度小于50 m时，得到的结果小于原状基坑开挖。因此，可以将基坑长度简化至50 m。

4 结论

依托实际工程，采用有限元软件Midas GTS建立了基坑三维模型，模拟了不同基坑模型施工下沉降值与水平位移的变化规律，进而对基坑模型的简化进行了研究，得到如下结论：

（1）基坑原尺寸开挖中，基坑开挖长度较大时，从X方向来说，变形从基坑边缘拐角位置向基坑中部逐渐增大，当增加到一定位置时达到最大值，不再变化；从Y方向来说，与基坑边缘距离越大，产生的位移越小，且变化为非线性。

（2）简化的模型中，由于边界的约束差异，基坑产生的位移从X方向来说，不随基坑长度的变化;从Y方向来说，与基坑边缘距离越大，产生的位移越小，同样为非线性变化。

（3）当原基坑开挖长度大于200 m时，对基坑长度方向中部临近地面及建筑物变形分析可以将基坑长度简化至50 m。