超大基坑數(shù)值計(jì)算模型的優(yōu)化方法研究

趙殿鵬 潘國華 姚 平

1. 浙江省交通工程管理中心 浙江 杭州 311215

2. 杭州交投建設(shè)工程有限公司 浙江 杭州 310004

3. 中交第二航務(wù)工程局有限公司 湖北 武漢 430040

1 概述

城市中大型建筑物的建設(shè)往往涉及到大型基坑開挖的問題。由于城市中用地限制、交通、臨近建筑物、地下管線等的影響，基坑不能完全放坡開挖?；邮┕ひ约爸ёo(hù)方式會(huì)對(duì)基坑周圍的變形產(chǎn)生很大的影響。因此，采取合適的開挖及支護(hù)方式尤為重要。有限元模擬計(jì)算是用以選擇基坑施工和支護(hù)方式的重要參考依據(jù)，是非常適用的工具。有限元可以模擬各種基坑開挖方式后的變形、應(yīng)力以及穩(wěn)定性。同時(shí)，可以通過對(duì)比得到各種支護(hù)方式的有效性。

用于基坑開挖模擬計(jì)算的計(jì)算軟件有Midas GTS、FALC 3D、ABAQUS等[1]。楊大兵[2]等采用了FLAC3D有限差分軟件分析了基坑開挖中巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，并分析了基坑的穩(wěn)定性。丁毅[3]等采用有限元軟件PLAXIS研究了超大、超長(zhǎng)基坑開挖對(duì)臨近地鐵結(jié)構(gòu)安全的影響，通過軟件模擬動(dòng)態(tài)基坑開挖并與實(shí)際相比較，驗(yàn)證了軟件的實(shí)用性。喬景順采用了Midas GTS對(duì)傳達(dá)基坑進(jìn)行了模擬開挖，并參考模擬結(jié)果確定了施工預(yù)案，采取了適宜的支護(hù)措施[4]。數(shù)值分析軟件被大量應(yīng)用于基坑開挖模擬。然而，對(duì)于超大基坑，由于開挖體積量較大，在軟件計(jì)算中如果按照實(shí)際尺寸進(jìn)行開挖模擬，必然會(huì)有模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)多、計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)的問題。因此，在滿足計(jì)算精度要求的同時(shí)，可以對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，從而高效、省時(shí)的完成模擬。

本文依托浙江省某船閘基坑施工項(xiàng)目，采用有限元軟件Midas GTS進(jìn)行不同尺寸的有限元模型記性數(shù)值計(jì)算，對(duì)不同尺寸的基坑模型進(jìn)行沉降值和水平位移變化規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)計(jì)算模型尺寸進(jìn)行優(yōu)化研究。為大型基坑數(shù)值模擬簡(jiǎn)化計(jì)算提供參考。

2 模型建立

2.1 工程概況

浙江杭州某新建船閘為兩線共用引航道，兩線船閘中心線距離為55m。船閘主要建筑物為上、下閘首、閘室、上、下游引航道、引航道連接段、口門導(dǎo)堤等，閘首及閘室組成的船閘主體縱向長(zhǎng)387.5m，上、下游引航道直線段分別為505.3m和438m，底寬分別為100m和110m。兩線船閘下閘同步開挖現(xiàn)澆，基坑開挖尺寸較大，南側(cè)開挖長(zhǎng)度達(dá)到近200 m。基坑施工的同時(shí)，距離基坑南側(cè)邊緣中部45m的地方同時(shí)在進(jìn)行公路橋梁施工。基坑采用放坡開挖后，基坑邊緣距離橋梁施工位置僅有20m左右。為研究基坑開挖對(duì)橋梁建筑物的影響，采用了有限元軟件進(jìn)行分析。然而，由于基坑開挖大，在數(shù)值模擬中耗時(shí)較長(zhǎng)，因此采用有限元軟件Midas GTS對(duì)基坑模型進(jìn)行簡(jiǎn)化研究。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料及設(shè)計(jì)文件，場(chǎng)區(qū)土體從上到下分別為粉土①、粉土②、粉土③、粉質(zhì)黏土、黏土，巖土體參數(shù)如下表1所示。土體本構(gòu)模型采用修正庫倫-摩爾模型。

表1 土體參數(shù)表

2.3 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，建立了五個(gè)計(jì)算模型，分別為①按原尺寸建立模型大小為400m×230m×50m，中間基坑開挖大小為200m×30m；②模型大小為275m×200m×50m，基坑尺寸為200m×30m，；③模型大小為275m×100m×50m，基坑尺寸為100m×30m；④模型大小為275m×50m×50m，基坑尺寸為50m×30m；⑤模型大小為275m×30m×50m，基坑尺寸為30m×30m，建立模型如下圖1所示?；邮┕ぶ?，均采用放坡開挖，坡率為1:1.5。

模型建立后，將模型底面設(shè)置為x、y、z方向均固定的邊界，模型中與x軸垂直的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為x方向固定邊界，與y軸垂直的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置y方向固定邊界，模型頂面設(shè)置為自由邊界。

3 結(jié)果分析

通過計(jì)算，獲得了基坑開挖后南側(cè)臨近地面的沉降值與水平位移值，水平位移值主要考慮向基坑邊坡臨空方向的變形。

3.1 沉降值分析

將計(jì)算后得到的沉降值進(jìn)行整理后，采用Origin繪制了圖表。下圖2為按照原尺寸進(jìn)行開挖計(jì)算得到的基坑沉降三維圖，圖3為計(jì)算模型②沉降值三維圖。圖中Z坐標(biāo)代表沉降值，X、Y坐標(biāo)分別代表基坑長(zhǎng)度與距離基坑邊緣距離，箭頭方向?yàn)閄方向。

圖2 模型①沉降3D圖

按照原始尺寸開挖得到的計(jì)算模型沉降值如圖2所示，圖2下部為沉降的3D分布圖，上部平面為在XY平面投影撐撐的平面圖。從X方向看，開挖后基坑邊緣產(chǎn)生的沉降由兩側(cè)向中部先逐漸增大，兩側(cè)往中部60m左右，沉降值達(dá)到最大值，不再增加，最大值為11.8 mm。基坑中心線兩邊沉降值呈對(duì)稱分布。從Y方向看，基坑兩側(cè)從基坑邊緣到與基坑邊緣70m處產(chǎn)生的沉降值變化很小，越靠近中部，呈現(xiàn)為越靠近基坑邊緣，沉降值越大。結(jié)合圖2的上下部分3D圖和平面投影圖可以清楚看出其規(guī)律。

圖3 模型②沉降3D圖

上圖3為模型②的沉降值三維分布圖及平面投影圖。由圖，在X方向上，從基坑兩側(cè)向中部產(chǎn)生的位移值幾乎沒有變化。其三維分布圖為單曲圖，在長(zhǎng)度方向上沒有變化，只隨著與基坑邊緣的距離增大逐漸減小，呈非線性變化。其最大沉降值達(dá)到12.5mm，相比按照原尺寸開挖有所增大，分布規(guī)律也反映到平面投影圖上，如圖3上部所示。

對(duì)比圖2、圖3，兩模型由于在基坑兩側(cè)施加的位移不同，產(chǎn)生的沉降出現(xiàn)了差異變化。在圖2中，由于基坑兩側(cè)有土體約束，因此，兩側(cè)發(fā)生的沉降值并不大，向中部距離變大時(shí)，沉降值增大，達(dá)到一定距離時(shí)，最大沉降值趨于穩(wěn)定，可知基坑拐角處土體相互約束會(huì)減少土體的沉降量。而圖3中兩側(cè)采用的邊界約束為固定X向變形約束，Y、Z向沒有約束，因此，兩側(cè)與中部變形變化很小。模型②中部產(chǎn)生的最大沉降值大于模型①，但相差并不大。

圖4 基坑中部沉降值圖

上圖4為五個(gè)基坑模型長(zhǎng)邊中心線從基坑邊緣到距離基坑邊緣100m處兩點(diǎn)直線上的沉降值，由圖可以看出，隨著距離基坑邊緣距離的增大，沉降值逐漸減小，呈非線性變化。同時(shí)，模型②、③、④產(chǎn)生的沉降值幾乎重合。模型①的沉降線小于模型②、③、④，大于模型⑤，模型⑤產(chǎn)生的沉降值最小。

3.2 水平位移分析

水平位移方面考慮基坑地面向臨空面的位移，通過計(jì)算得到水平位移變形的規(guī)律與沉降值變形規(guī)律一致。在模型①中呈現(xiàn)出基坑中間部位一段距離水平位移值大，向兩邊對(duì)稱對(duì)稱減小。模型②、③、④、⑤中，產(chǎn)生的水平位移沿基坑長(zhǎng)度方向均不發(fā)生變化；同時(shí)，距離巨坑距離越大，產(chǎn)生的位移逐漸減小。五個(gè)模型從距離基坑邊緣0m到100m處的水平位移變化圖如下圖5所示。

圖5 基坑中部水平位移值圖

通過對(duì)比圖4與圖5可以看出，基坑中部的水平位移分布規(guī)律與沉降值分布規(guī)律相似。模型②、③、④產(chǎn)生的水平位移圖幾乎相似，其位移變化線重合，且大于模型①，模型⑤最小。

綜合上述沉降值與水平位移值變化規(guī)律分析可得，在基坑模型計(jì)算中，當(dāng)基坑長(zhǎng)度大，臨近重要建筑物位于基坑長(zhǎng)邊中部位置時(shí)，對(duì)基坑進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，可以將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

通過簡(jiǎn)化后的模型結(jié)果對(duì)比分析，當(dāng)基坑長(zhǎng)度大于50 m時(shí)，基坑周圍地面產(chǎn)生的沉降值與水平位移大致相等，且略大于原狀基坑開挖；當(dāng)長(zhǎng)度小于50 m時(shí)，得到的結(jié)果小于原狀基坑開挖。因此，可以將基坑長(zhǎng)度簡(jiǎn)化至50 m。

4 結(jié)論

依托實(shí)際工程，采用有限元軟件Midas GTS建立了基坑三維模型，模擬了不同基坑模型施工下沉降值與水平位移的變化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)基坑模型的簡(jiǎn)化進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

（1）基坑原尺寸開挖中，基坑開挖長(zhǎng)度較大時(shí)，從X方向來說，變形從基坑邊緣拐角位置向基坑中部逐漸增大，當(dāng)增加到一定位置時(shí)達(dá)到最大值，不再變化；從Y方向來說，與基坑邊緣距離越大，產(chǎn)生的位移越小，且變化為非線性。

（2）簡(jiǎn)化的模型中，由于邊界的約束差異，基坑產(chǎn)生的位移從X方向來說，不隨基坑長(zhǎng)度的變化;從Y方向來說，與基坑邊緣距離越大，產(chǎn)生的位移越小，同樣為非線性變化。

（3）當(dāng)原基坑開挖長(zhǎng)度大于200 m時(shí)，對(duì)基坑長(zhǎng)度方向中部臨近地面及建筑物變形分析可以將基坑長(zhǎng)度簡(jiǎn)化至50 m。