基于Midas GTS的基坑圍護(hù)數(shù)值模擬及變形分析

洪 昇

上海建浩工程顧問有限公司 上海 200030

本文采用Midas GTS軟件模擬了某深基坑工程不同工況下的基坑開挖和支護(hù)施工階段，分析了其圍護(hù)樁受力和坑外樁周土位移隨樁體嵌固深度、排樁形式以及土體壓縮模量的變化特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，說明了本次模擬具有可靠性，驗(yàn)證了圍護(hù)方案的可行性，可為類似施工的指導(dǎo)提供一定的參考[1-4]。

1 工程概況

某項(xiàng)目位于杭州市余杭區(qū)，用地面積約為132 918 m2，總建筑面積約428 022 m2。地塊自東向西約為600 m，南北約為300 m，開挖深度為10 m。擬建場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜，分布有已建的商辦樓、住宅小區(qū)、學(xué)校等。本工程距周邊道路也較近，特別是場地北側(cè)還分布有地下管線，如燃?xì)?、雨水、電力、通信等各類市政管線。

綜合考慮本工程場地地質(zhì)條件、基坑開挖深度，在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，確定對本基坑西側(cè)采用鉆孔灌注樁（局部雙排樁）結(jié)合1道鋼筋混凝土角撐的圍護(hù)方案；對基坑?xùn)|側(cè)采用鉆孔灌注樁結(jié)合1道鋼筋混凝土對撐、角撐的圍護(hù)方案；對基坑中部采用鉆孔灌注樁雙排樁結(jié)合1道混凝土斜支撐的圍護(hù)方案。圍護(hù)樁背后均采用三軸水泥攪拌樁止水止淤，對基坑西側(cè)及雙排樁區(qū)域坑底被動(dòng)區(qū)加固，基坑內(nèi)砂質(zhì)粉土分布區(qū)域采用管井降水（圖1）。

圖1 基坑平面示意

本工程圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁，樁徑0.9或1.0 m，單排樁區(qū)域樁間距分別為1.1、1.2 m，局部雙排樁區(qū)域樁間距分別為2.2、2.4 m。樁身混凝土強(qiáng)度等級為C25，水灰比0.50～0.55，坍落度180～220 mm。本工程應(yīng)用進(jìn)口的φ850 mm@600 mm三軸水泥攪拌樁機(jī)濕法作業(yè)，采用套接一孔法施工。

2 Midas GTS建模及計(jì)算

Midas GTS是巖土和隧道工程有限元分析軟件，可便捷實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型在靜動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)分析，包括施工階段、滲流、動(dòng)態(tài)邊坡穩(wěn)定、固結(jié)、動(dòng)力分析等功能。

本文基于Midas GTS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，主要結(jié)合基坑工程開挖的特點(diǎn)，選取摩爾-庫倫模型模擬土體本構(gòu)，支撐及圍護(hù)樁采用彈性模型。因工程項(xiàng)目中采用鉆孔灌注樁作為地下連續(xù)墻，故需作等效處理，原理如下：設(shè)排樁中心間距為t，鉆孔灌注樁直徑為D，則單根排樁可等效成長為D＋t的地下連續(xù)墻，并設(shè)等效地下連續(xù)墻墻厚為h，則二者按等剛度原則可等效為：(D＋t)h3/12=πD4/64，其中，h=0.838D·[D/(D＋t)]1/3。

2.1 模型參數(shù)

采用Midas GTS軟件對基坑開挖進(jìn)行施工階段模擬，其中巖土體物理力學(xué)參數(shù)的選取對模擬有著重要的影響。根據(jù)現(xiàn)場巖土勘察資料、室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及施工方案，模擬區(qū)域巖土參數(shù)及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1、表2。

表1 地層巖土參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 模擬工況

根據(jù)基坑圍護(hù)參數(shù)和巖土參數(shù)，結(jié)合實(shí)際施工條件，制訂了表3中共12種模擬工況，以對比研究圍護(hù)樁嵌固深度、雙排樁及土體壓縮模量變化對基坑圍護(hù)變形的影響。

表3 模擬工況說明

2.3 網(wǎng)格劃分及建模

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖的影響寬度一般為基坑開挖深度的3～4倍，其影響深度一般為開挖深度的3～4倍。本項(xiàng)目開挖深度為10 m。根據(jù)本工程的特殊情況，長寬尺寸較大，土質(zhì)較差，并考慮計(jì)算機(jī)配置的要求，選擇具有代表性的區(qū)段進(jìn)行二維數(shù)值模擬（圖2）。整個(gè)模型有限元尺寸為300 m×60 m。

圖2 基坑二維模型

模型邊界條件可以采用軟件自動(dòng)設(shè)置的地基邊界：兩側(cè)水平方向約束，底面水平方向和豎直方向約束。模型自重在模型y方向設(shè)置－1，則表示為受到1個(gè)重力加速度g，方向豎直向下。

2.4 施工階段模擬

在建模完成后，Midas GTS可以通過激活、鈍化網(wǎng)格組進(jìn)行基坑開挖支護(hù)施工模擬?，F(xiàn)就不同工況的施工模擬步驟加以說明。

1）工況1：第1步初始應(yīng)力計(jì)算，施加地基邊界條件和重力，激活所有土體網(wǎng)格單元，并進(jìn)行位移清零；第2步激活基坑單排圍護(hù)樁，并進(jìn)行位移清零；第3步開挖3 m，鈍化該標(biāo)高以上開挖區(qū)域土體網(wǎng)格組；第4步開挖至6 m，鈍化該標(biāo)高以上開挖區(qū)域土體網(wǎng)格組；第5步開挖至10 m，鈍化該標(biāo)高以上開挖區(qū)域土體網(wǎng)格組。

2）工況2～5、工況10～12：與工況1相比較，第1、2步中激活對應(yīng)的土體、圍護(hù)樁和格構(gòu)柱外，在第4步改為支撐施工并開挖至6 m，激活支撐并鈍化該標(biāo)高以上開挖區(qū)域土體網(wǎng)格組；其他步驟相同。

3）工況6～9：與工況1相比較，第2步中的單排圍護(hù)樁改為雙排圍護(hù)樁；其他步驟相同。

3 數(shù)值分析及結(jié)果

3.1 模擬與實(shí)測比較

工況2是本項(xiàng)目實(shí)際工況的模擬，對工況2與坑外測斜管監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（圖3），模擬曲線與實(shí)際監(jiān)測曲線最大水平位移偏差為8.7%（2 mm），且曲線樣式基本一致，對于復(fù)雜巖土模擬來講，本次建模具有較好的可靠性。

圖3 工況1～2、CX34樁側(cè)土水平位移

此外，據(jù)圖3中工況1和工況2比較，可以看到無支撐時(shí)，坑外土體水平位移達(dá)到68.9 mm，土體早已破壞，工況2最大位移為23.3 mm，滿足要求。

3.2 嵌固深度影響分析

作為擋土結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻嵌固深度需滿足各項(xiàng)穩(wěn)定性和強(qiáng)度要求。在軟土地層中，地下連續(xù)墻在基底以下的嵌固深度一般接近或大于開挖深度方能滿足穩(wěn)定性要求。工況2～5圍護(hù)樁長分別為24、26、28和30 m，基坑開挖深度為10 m，則工況2～5圍護(hù)樁嵌固深度分別為14、16、18和20 m（圖4、圖5）。

圖4 工況2～5樁側(cè)土水平位移

圖5 工況2～5圍護(hù)樁彎矩

從圖4可知，隨著嵌固深度的增大，樁側(cè)土最大水平位移逐漸變小，嵌固深度每增加2 m，水平位移變化幅值約0.86%，變化幅度甚小，說明當(dāng)圍護(hù)嵌固深度達(dá)到24 m時(shí)，繼續(xù)增加嵌固深度對樁側(cè)土水平位移影響較小。此外，工況2～5的樁側(cè)土水平位移曲線在－13 m處出現(xiàn)拐點(diǎn)。在－24～－13 m，位移值較小，變化幅度較??；在－13～0 m，樁側(cè)土水平位移迅速增大，變化幅度較大。當(dāng)基坑開挖，土體卸荷，坑外圍護(hù)樁側(cè)土體向坑內(nèi)方向傾斜擠壓，圍護(hù)樁承受主動(dòng)土壓力，開挖區(qū)深度范圍內(nèi)土體水平位移明顯增大。

從圖5可知，隨著嵌固深度的增大，圍護(hù)樁最大彎矩基本不變，但在坑底深度以上樁段，圍護(hù)樁最大彎矩隨著嵌固深度的增大而減小，減小幅度隨著嵌固深度的增大而增小。最大彎矩位于－3 m處，即第1道支撐位置，符合一般規(guī)律。

綜上所述，當(dāng)嵌固深度達(dá)14 m時(shí)，繼續(xù)增大嵌固樁長對減少圍護(hù)樁側(cè)土體最大水平位移及圍護(hù)樁最大彎矩影響甚?。磺覙堕L增加必然造成施工成本的增加。故工況2較工況3～5優(yōu)，本項(xiàng)目實(shí)際工程中，采用24 m圍護(hù)樁合理。

3.3 排樁影響分析

雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)是沿基坑側(cè)壁排列設(shè)置的由前、后兩排支護(hù)樁和梁連接成的支擋結(jié)構(gòu)。工況6～9采用雙排支護(hù)形式，坑內(nèi)未設(shè)置橫向支撐（圖6、圖7）。

圖6 工況6～9樁側(cè)土水平位移

圖7 工況6～9圍護(hù)樁彎矩

從圖6可知，隨著前后排樁間距增大，樁側(cè)土的最大水平位移逐漸變小，其位置沿深度方向逐漸增大。前后排樁間距每增加1 m，樁側(cè)土最大水平位移減小幅度越來越小。工況6～9中，減小幅度依次為14.3%、8.8%和5.3%。此外，圖中曲線在深度－13 m處，顯出與圖4相似的特征，此處不再贅述。從圖7可知，隨著前后排樁間距增大，圍護(hù)樁最大彎矩逐漸增大，前后排樁間距每增加1 m，圍護(hù)樁最大彎矩增大幅度值越來越小。工況6～9中，增大幅度值依次為8.7%、4.0%和1.7%。

綜上所述，隨著前后排樁間距增大，樁側(cè)土最大水平位移逐漸變小，而圍護(hù)樁最大彎矩逐漸增大，且二者變化幅度越來越小。樁側(cè)水平位移小，說明基坑越安全；樁內(nèi)彎矩大，則對圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求高。此外，基于場地條件、紅線位置，排樁間距受限。故綜上考慮，采用3～4 m作前后排樁間距較適宜。本項(xiàng)目實(shí)際工程中，采用3.6、4 m排樁間距合理。

3.4 土體壓縮模量影響分析

壓縮模量對土體變形有著十分重要的影響。工況10～12對比工況2，通過改變壓縮模量來分析其對土體變形及圍護(hù)樁彎矩的影響（圖8、圖9）。

圖8 工況2、工況10～12樁側(cè)土水平位移

從圖8可知，隨著土體壓縮模量的增大，樁側(cè)土最大水平位移逐漸變小。土體壓縮模量每增加2 MPa，樁側(cè)土最大水平位移減小幅度隨著越來越小。工況2、工況10～12，減小幅度依次為28.4%、23.3%和20.0%。

從圖9可知，隨著土體壓縮模量的增大，圍護(hù)樁最大彎矩逐漸減小，土體壓縮模量每增加2 MPa，圍護(hù)樁最大彎矩減小幅度值亦隨著越來越小，且最大彎矩位置發(fā)生變化，工況2中，最大彎矩位置為樁深－13 m處；工況10～12，最大彎矩位置為樁深－3 m處。

圖9 工況2、工況10～12圍護(hù)樁彎矩

綜上所述，隨著土體壓縮模量的增大，樁側(cè)土最大水平位移逐漸變小，圍護(hù)樁最大彎矩逐漸減小，且二者變化幅度也越來越小。說明通過一定手段改善坑外土質(zhì)，增大其壓縮模量，可減少土體及圍護(hù)樁變形。

4 結(jié)語

1）本工程采用Midas GTS對深基坑進(jìn)行二維數(shù)值模擬，可分析不同工況下圍護(hù)樁嵌固深度、排樁形式及土體參數(shù)，對樁周土體位移及基坑圍護(hù)樁受力影響，同時(shí)結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，說明模擬具有可靠性，驗(yàn)證了方案的可行性。

2）模擬結(jié)果表明：超過一定深度后，繼續(xù)增加圍護(hù)樁嵌固深度，對基坑圍護(hù)樁受力和樁周土變形影響較小，且樁長的增加，必然造成施工成本的增加。對樁體錨固深度的研究，為圍護(hù)樁長方案的比選提供了一定的依據(jù)。

3）在一定間距范圍內(nèi)，雙排樁間距的增大可減少土體水平變形，但圍護(hù)樁身內(nèi)力也會(huì)增加。綜合考慮場地條件、圍護(hù)樁設(shè)計(jì)構(gòu)造要求及成本、土體變形控制因素，對雙排樁間距的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

4）隨著土體壓縮模量的增加，土體變形及圍護(hù)樁最大內(nèi)力都會(huì)減小。通過一定手段改善坑外土質(zhì)，可增加基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。