基于MIDAS GTS基坑支護(hù)數(shù)值模擬分析

常 虹，肖嵐心

吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

隨著我國(guó)的快速發(fā)展,建筑物也在不斷向高處擴(kuò)展,由于環(huán)境和土地資源有限,故深基坑關(guān)于變形的方面就會(huì)越來越受到重視.在基坑支護(hù)過程中,應(yīng)注意不影響周圍建筑物正常使用,還同時(shí)要求變形量滿足規(guī)范要求.因此,合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程起重要作用.根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件、施工技術(shù)等有不同的支護(hù)形式.對(duì)于樁錨支護(hù)方式,在深基坑工程中可以采用,在經(jīng)濟(jì)與安全可靠性方面也較為良好.對(duì)于基坑施工工序的過程用有限元軟件進(jìn)行模擬已經(jīng)得到了很好的推廣.楊洪娜等[1]人采用MIDAS GTS 數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑開挖支護(hù)工序進(jìn)行模擬,得到土層位移隨著深度增加而增大,混凝土支撐相比于鋼支撐可以更加有效地降低地表沉降.陳輝等[2]人采用兩種不同類型的有限元軟件分別模擬深基坑開挖過程,通過計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)MIDAS GTS NX軟件模擬得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)方位移與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比明顯偏大;使用ABAQUS軟件中修正劍橋模型預(yù)測(cè)深基坑側(cè)方地基的變形時(shí),與MIDAS GTS NX軟件計(jì)算結(jié)果相比更佳.過洪贇等[3]人對(duì)樁錨支護(hù)深基坑變形模擬進(jìn)行了分析,得到樁身整體水平變形大致呈“兩頭小,中間大”的鼓腹?fàn)罘植?同時(shí)對(duì)錨桿位置進(jìn)行調(diào)整,因此明顯對(duì)基坑開挖支護(hù)過程中樁身的水平位移和周圍土體的位移有了好的效果.馬海翔[4]通過MIDAS GTS提出排樁直徑影響著樁水平位移大小,排樁水平位移最大值隨樁徑增大而減小.丁偉[5]對(duì)樁體不同嵌固深度對(duì)樁水平位移影響進(jìn)行了研究,得到樁體水平位移大小與樁體在土體的深度有關(guān),隨著樁體嵌入土體的深度增加,樁的水平位移逐漸減小,樁體發(fā)生最大水平位移的位置不是在樁頂處,而是在基坑開挖面的附近.鐘連祥等[6]人利用有限元軟件Midas對(duì)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.通過對(duì)比基坑土體變形值和實(shí)際監(jiān)測(cè)變形值,驗(yàn)證了此模型的準(zhǔn)確性和可行性,得出錨桿軸應(yīng)力在自由段分布均勻,在錨固段逐漸減小的變化規(guī)律.此外,深入分析了深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素,結(jié)果表明:增加支護(hù)樁的樁長(zhǎng)、縮小樁間距可以很好的抑制基坑土體位移.胡賀松[7]用數(shù)值分析軟件對(duì)不同錨桿傾角下的錨桿長(zhǎng)度與安全系數(shù)之間擬合模型進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)了錨桿參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性影響的定量研究,隨著錨桿長(zhǎng)度的增加,支護(hù)樁所承受的壓力逐漸減小,錨桿軸力分布均為錨頭處最大,沿著錨桿體逐漸減小.丁亞中[8]使用Midas GTS有限元軟件進(jìn)行基坑模擬,并分析了基坑的水平方向位移和豎直方向位移以及基坑開挖時(shí)基底的隆起量規(guī)律,通過數(shù)值模擬分析得出的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)模擬得出的數(shù)據(jù)是正確有效的.因此在進(jìn)行有限元軟件模擬分析時(shí),可以提前預(yù)測(cè)出基坑開挖時(shí)出現(xiàn)基坑位移和土體隆起量較大的位置.這些分析可以為監(jiān)測(cè)單位布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供參考,對(duì)比軟件模擬得出的數(shù)據(jù)與實(shí)際基坑監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律相似,說明了支護(hù)體系的合理與可靠,同時(shí)所分析的結(jié)果可以為后期類似工程提供參考依據(jù).

1 工程概況及支護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本文以北宅某廠房深基坑支護(hù)工程為例.該工程設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí),正常設(shè)計(jì)使用年限為1年.工程周邊無重要建筑物和構(gòu)筑物,環(huán)境和地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單,場(chǎng)地原始地貌系沖洪積平原地貌單元形成的以粉土、黏性土為主的地層如下:

第1層粉質(zhì)黏土夾粉土:灰褐色,可塑,局部軟塑,局部夾粉土薄層.分布均勻,勘探揭露層厚2 m～5 m;

第2層粉土:灰褐色,中密.普遍分布均勻,勘探揭露層厚5 m～10.50 m;

第3層粉質(zhì)黏土:灰色,可塑狀態(tài),切面稍有光澤,韌性中等,無搖震反應(yīng).勘探揭露層厚20 m～30 m.

場(chǎng)地所在地區(qū)全年四季分明,平均氣溫在15.8 ℃左右,最高溫32 ℃,最低溫-15.60 ℃,年平均降水量為800 mm,多集中在5月～9月.場(chǎng)地地下水水位埋深為1 m～2 m,水位年平均變化量約為1.0 m.本場(chǎng)地地下水類型為第四系孔隙潛水略帶承壓性,主要含水層為粉質(zhì)粘土夾粉土、粉土、粉質(zhì)粘土中,受到大氣降水補(bǔ)給影響,在雨季水位會(huì)上升,如果遇到水較多應(yīng)采用明渠排水集水溝將水降到可正常施工即可.

1.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑開挖深度和地質(zhì)條件及各方面意見與建議后,基坑整體采用混凝土支撐加樁和錨桿的復(fù)合支護(hù)方式.基坑開挖深度為9 m,基坑寬度15 m.基坑根據(jù)錨桿和內(nèi)支撐的位置分三層開挖,開挖深度分別是3 m,3 m,3 m.第一道支護(hù)采用混凝土支撐,設(shè)置在開挖深度-0.5 m處,第二道采用混凝土支撐與錨桿共同支護(hù),設(shè)置在開挖深度-3.0 m處,第三道采用混凝土支撐與錨桿,設(shè)置在開挖深度-6.0 m處.樁長(zhǎng)15 m,嵌入深度6 m,樁徑0.8 m,錨桿長(zhǎng)12 m,直徑0.02 m,混凝土支撐的截面尺寸0.8 m×0.8 m,土層信息見表1.

表1 土層信息

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

本文對(duì)基坑的施工工序過程采用 Midas GTS有限元軟件進(jìn)行模擬,為使建模符合實(shí)際,土體模型采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模擬,單元類型采用平面應(yīng)變;圍護(hù)樁混凝土支撐單元類型采用梁?jiǎn)卧?，錨桿采用植入式桁架模擬.根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),基坑模型深度邊界計(jì)算影響范圍取基底以下3倍的基坑開挖深度左右,影響寬度大約去取基坑邊界到模型邊界開挖深度的3倍.模型的整體尺寸為:x方向95 m,y方向40 m.

MIDAS GTS軟件根據(jù)前期輸入的土層參數(shù),將具有自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能,網(wǎng)格尺寸在基坑處定義為0.5,基坑外邊界到模型邊界處定義為1.2,網(wǎng)格劃分完成后對(duì)土體底部和兩側(cè)進(jìn)行施加邊界約束和自重.

2.2 定義施工階段

MIDAS GTS軟件是通過鈍化與激活命令模擬基坑開挖施工階段過程,根據(jù)該工程具體施工步驟，依次進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和開挖土體,按照施工的正常順序進(jìn)行模擬,直到基坑支護(hù)完畢,在初始應(yīng)力分析工況中,將所有土體邊界進(jìn)行約束,土體自重進(jìn)行激活,同時(shí)注意勾選位移清零.具體施工階段工序見表2.

表2 深基坑開挖模擬步驟

3 模擬結(jié)果

3.1 基坑模型總體位移

根據(jù)上述設(shè)置的施工階段對(duì)模型進(jìn)行分析,得出基坑施工結(jié)束后總體位移，見表3.由表3明顯得知基坑總體最大位移約為6.24 mm,滿足基坑變形要求,驗(yàn)證了支護(hù)方案的合理性.

表3 基坑模型總體位移

3.2 基坑位移分析

在基坑支護(hù)工程中,基坑坑底會(huì)發(fā)生向上的回彈,因?yàn)榛油馏w在逐漸的開挖,會(huì)使得土體自重應(yīng)力得到了釋放.并且基坑土體挖走后,樁體會(huì)向基坑內(nèi)移動(dòng)變形,當(dāng)基底面以下部分的樁體向基坑方向偏移時(shí),就會(huì)擠推樁前的土體,因此基底就會(huì)造成隆起.由表4可以看出隨著基坑的開挖,在中心位置處隆起量最大約為6.24 mm,兩側(cè)隆起量明顯看出是逐漸減小的.隨著土體繼續(xù)開挖進(jìn)行,地表發(fā)生了沉降,沉降也在逐漸增大,最大值為2.3 mm,水平位移值也逐漸增大,最大值為1.97 mm.

表4 基坑位移

3.3 樁水平位移

隨著基坑開挖,在不同工況下樁體的水平位移變化趨勢(shì)大體一致,已知樁長(zhǎng)15 m,嵌入深度6 m,由表5得出,樁體最大水平位移也在逐漸增大,隨著基坑土體開挖,樁體發(fā)生最大水平位移的位置也在不斷向下移動(dòng),樁體端部位置的水平位移比樁中間水平位移小,模擬得出樁最大水平位移為1.51 mm.

表5 樁體水平位移

3.4 錨桿軸力

隨著基坑土體開挖不斷的施工,可以看出錨桿在自由段處的軸力是比較大,沿著錨固段的方向,錨桿的軸力是慢慢變小趨近于0.表6在工序4中第一層錨桿的最大軸力89.89 kN,工序5中第一層的錨桿最大軸力84.91 kN,第二層錨桿的最大軸力90.52 kN.當(dāng)土體開挖繼續(xù)進(jìn)行時(shí),下層的錨桿會(huì)承擔(dān)了第一層錨桿上的力.

表6 工序4 ,5錨桿軸力

4 結(jié)論

本文通過MIDAS GTS軟件對(duì)基坑開挖的施工工序進(jìn)行模擬,得到以下結(jié)論:

(1)隨著基坑的開挖,在基坑底部發(fā)生隆起,在中心位置處隆起量最大,沿著基坑底部中心位置向基坑周邊兩側(cè)的隆起量在逐漸減小.

(2)基坑開挖會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生橫向變形,地表產(chǎn)生沉降,隨著施工進(jìn)行水平位移最大值也逐漸增大,沉降量也逐漸增大.

(3)基坑開挖土體的深度不斷增加,圍護(hù)樁體同一位置的水平方向位移變化也不斷增加,樁體最大水平位移發(fā)生的部位也在不斷向下移動(dòng).

(4)錨桿在自由段處軸力較大,沿著錨固段方向軸力逐漸減小.