深基坑設(shè)計環(huán)節(jié)有限元軟件的應(yīng)用研究

回鑫權(quán)

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132299）

1 設(shè)計概述

1.1 設(shè)計背景及研究現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，基礎(chǔ)設(shè)施日益完善、城市人口不斷增長，給城市交通帶來了更大的壓力。交通擁堵問題成為我國市民生活、工作出行的一大煩惱，我國從20世紀(jì)80年代開始發(fā)展城市軌道交通建設(shè)，以此來緩解交通擁堵問題。

目前，北京、上海、天津、重慶、廣州、深圳、武漢、南京等34 個城市建成投運城軌線路。城市軌道交通的發(fā)展有效地緩解了我國的交通擁堵問題，使出行方式更加便利，促進經(jīng)濟增長。由于地鐵設(shè)施相比其他城市軌道交通設(shè)施，具有節(jié)省地上空間的優(yōu)勢，特別是在地上空間緊張的發(fā)達城市，地下交通的開發(fā)顯得尤為重要。因此地鐵設(shè)施在城市軌道交通中占比最高。

在地鐵施工中，深基坑支護設(shè)計是地鐵建設(shè)的重要問題之一。雖然我國對于深基坑支護設(shè)計已經(jīng)有了部分理論體系，但是全國各地水文地質(zhì)條件的差異、設(shè)計與施工的細(xì)節(jié)等諸多因素，導(dǎo)致在深基坑支護施工過程中有部分問題存在。在地鐵工程中，深基坑的設(shè)計和施工是保證施工安全和施工順利進行的前提。

在深基坑施工與設(shè)計過程中，由于缺少成熟的指導(dǎo)體系，有可能引發(fā)一些工程事故。深基坑內(nèi)部變形過大，導(dǎo)致施工空間不足，無法正常施工；深基坑坍塌導(dǎo)致施工人員的生命安全受到威脅；深基坑內(nèi)部的變形甚至?xí)ι罨痈浇慕ㄖ推渌叵聵?gòu)筑物產(chǎn)生影響。由此可見，深基坑的設(shè)計一定要保證工程建設(shè)安全可靠，但是過于安全的設(shè)計也會導(dǎo)致工程費用和施工量的增加。綜上所述，在設(shè)計過程中，應(yīng)盡量選擇、對比多種支護設(shè)計方案，對最終的方案進行優(yōu)化，這樣才能設(shè)計出一套經(jīng)濟、安全、合理的設(shè)計方案。隨著軟件的高速發(fā)展，有限元數(shù)值模擬可以幫助設(shè)計及施工人員直觀發(fā)現(xiàn)設(shè)計及施工的問題，有效降低事故的發(fā)生概率。

1.2 設(shè)計概況

目前深基坑常用的有限元數(shù)值模擬軟件有以下幾 種：ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS、PIAXIS、GTS NX。該設(shè)計使用MIDAS/GTS 進行有限元數(shù)值模擬分析，對地下連續(xù)墻＋錨桿的支護方案建模，對其進行有限元分析，得出數(shù)值模擬結(jié)果。

1.3 深基坑支護類型

在深基坑工程中，深基坑常用的支護類型有：支擋式結(jié)構(gòu)、土釘墻、重力式水泥土墻、放坡。根據(jù)不同的施工條件和環(huán)境，選用不同的材料進行支護，也可以將不同的支護類型配合使用。

1.4 設(shè)計任務(wù)與內(nèi)容

1958年，廣州開始了地鐵的規(guī)劃與設(shè)計，是我國較早建設(shè)地鐵設(shè)施的城市之一，后來廣州地鐵高速發(fā)展，地鐵運營體系不斷完善，成為我國地鐵線路最發(fā)達的城市之一。目前廣州共有13 條運營線路，線路總長為390.6km。以廣州地鐵實際工程為例，根據(jù)該地區(qū)地質(zhì)與水文條件，對廣州地鐵2 號線與3 號線換乘站旁的深基坑進行支護設(shè)計與施工方案進行設(shè)計。該深基坑的長、寬、深分別為101.65m、20m、14.5m。由于地鐵換乘站附近地上及地下建筑物較為密集，為避免深基坑開挖時對周邊建筑物產(chǎn)生影響，使用有限元軟件設(shè)計支護方式，建模并對其進行有限元數(shù)值模擬，提取模型中各部分剪力、彎矩、軸力、位移等參數(shù)。

2 設(shè)計理論與方法

2.1 設(shè)計原則

在設(shè)計前，應(yīng)當(dāng)規(guī)定深基坑的設(shè)計使用期限，一般情況下深基坑支護的設(shè)計使用年限不應(yīng)在1年以下。深基坑支護設(shè)計與施工應(yīng)避免對周圍構(gòu)筑物、地下管線、周邊道路等產(chǎn)生影響，導(dǎo)致發(fā)生安全事故，在此基礎(chǔ)上，還要保證主體結(jié)構(gòu)的施工空間。在深基坑的設(shè)計過程中，會根據(jù)施工現(xiàn)場的環(huán)境和施工需要將深基坑劃分不同等級，安全等級分為一級、二級、三級。具體規(guī)定參考《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）。設(shè)計完畢后，應(yīng)對深基坑支護采用承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)對深基坑整體的穩(wěn)定性、抗隆起的穩(wěn)定性、深基坑支護結(jié)構(gòu)的合理性、地面沉降等進行驗算。

2.2 支護類型設(shè)計

深基坑支護設(shè)計類型的選擇取決于諸多因素：深基坑尺寸即深基坑的長、寬及深度，水土條件，深基坑失穩(wěn)對周邊地下構(gòu)筑物、地下管線、道路等的影響，主體地下結(jié)構(gòu)的空間形式，現(xiàn)場施工條件及環(huán)境，施工地點（地理位置），工程經(jīng)濟（工程量及施工費用）、施工工期預(yù)測、環(huán)境保護措施。以上都是影響深基坑支護類型選擇的因素。

在不同支護結(jié)構(gòu)的連接處及過渡段應(yīng)有安全可靠的連接措施；每種支護形式都有不同的施工工藝與流程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工條件、施工環(huán)境、支護類型等確定相應(yīng)的施工工藝和流程，保證施工安全順利進行，有針對性地解決不同的施工難題。

2.3 水平荷載

計算支護結(jié)構(gòu)水平荷載時，需要考慮如下因素：深基坑內(nèi)外土的自重（包含地下水）、深基坑附近既有及在建建筑物的自重影響、深基坑周邊施工設(shè)備自重的影響、施工材料荷載的影響、深基坑周邊范圍道路上車輛荷載的影響、高溫或低溫產(chǎn)生的影響（溫度變化）。

2.4 承載能力分析與驗算

在對支護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應(yīng)采用承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行分析與驗算。

3 工程概況

3.1 設(shè)計資料

該地鐵深基坑工程位于廣州市軌道交通網(wǎng)中2 號線與3 號線換乘站旁。2 號線與3 號線換乘站的主體結(jié)構(gòu)采用三層兩跨結(jié)構(gòu)，該站橫穿港新中路，由南向北布置，南面通向大唐塔，北面通向赤崗路。車站東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)分別為珠海影視公司、信息產(chǎn)業(yè)部第七研究所、新港小學(xué)、自然資源部南海局、在建使館區(qū)。該地區(qū)地勢北低南高。深基坑長為101.65m，寬為20m，深度為14.5m。土層信息表見表1。

表1 土層信息

層號1234土類名稱素填土淤泥質(zhì)土黏性土中砂層厚/m 3.00 4.50 6.00 7.00重度/（kN·m3）19.1 18.3 20.6 19.7黏聚力/kPa 17.00 3.66 23.10 0.00內(nèi)摩擦角/°8.57 10.66 24.62 40.00

3.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探和地下水位觀測結(jié)果，對含水層的埋藏條件和水理特征進行分析，判定該場地在勘探深度范圍內(nèi)存在承壓水，埋藏在地面下24～27.4m 之間，賦存于砂層中。該土層富水性好，水量豐富，中粗砂層透水性強，屬強透水層，具有承壓性。根據(jù)抽水試驗時設(shè)置的2 個觀測井的觀測結(jié)果，此層承壓水的水頭距地面25m。

4 設(shè)計與計算

4.1 土壓力計算

土壓力計算結(jié)果見表2。

表2 土壓力計算結(jié)果

土層素填土淤泥質(zhì)土黏性土中砂土層厚度/m3 4.5 67主動土壓力/（kN/m）19.77 232.10 506.24 580.98被動土壓力/（kN/m）234.57 684.01 3366.88 4708.89

4.2 有限元數(shù)值模擬

4.2.1 MIDAS/GTS 軟件概況

MIDAS 是韓國開發(fā)的包含了巖土、橋梁、建筑、機械等領(lǐng)域的一系列軟件，其中MIDAS/GTS 就是這些軟件其中之一，主要用于三維巖土有限元分析軟件，其原理是將簡化的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題（運動微分方程、有效應(yīng)力原理、連續(xù)方程、本構(gòu)方程等），然后利用數(shù)學(xué)方法求解，解決現(xiàn)實中的工程問題。MIDAS/GTS 數(shù)值模擬分析一般適用于土工格柵擋墻穩(wěn)定分析、樁錨支護邊坡穩(wěn)定性分析、土石壩應(yīng)力變形分析、堤壩的非穩(wěn)定流分析、單樁承載力分析、砂井固結(jié)分析、深基坑開挖分析、隧道開挖分析、樁基動力分析、隧道爆破分析、地鐵端頭井分析等實際問題。一般MIDAS/GTS 建模的主要過程為：定義材料屬性—建立實體模型—劃分網(wǎng)格—定義邊界條件—設(shè)置荷載—定義工況信息—運行分析。使用MIDAS/GTS 進行深基坑開挖分析，建立地下連續(xù)墻與錨桿相結(jié)合的支護方式，進行有限元數(shù)值模擬。

4.2.2 建立模型

采用地下連續(xù)墻與錨桿結(jié)合的支護方式建立模型。在建立模型之前，需要查詢資料，補全設(shè)計資料中缺少的參數(shù)，為建模前材料的屬性定義做準(zhǔn)備。根據(jù)建模需要，定義鋼筋混凝土、鋼材、素填土、淤泥質(zhì)土、黏性土、中砂幾種材料，定義地下連續(xù)墻、錨桿、素填土、淤泥質(zhì)土、黏性土、中砂的屬性。

材料屬性定義完畢后，就可以進行實體建模了，首先建立200m×200m×30m 的長方體實體模型，利用實體分割功能對建立的實體進行分割，按土層信息分割出各個土層的實體，然后按照設(shè)計的工況對開挖部分進行實體分割，最后利用布爾運算生成實體模型。實體分割操作結(jié)束，接著開始進行自動連接操作，該操作的目的是使各區(qū)域邊界上的節(jié)點耦合。在做完上述步驟后開始劃分網(wǎng)格，該方案采用地下連續(xù)墻與錨桿相結(jié)合的支護方式，建模中地下連續(xù)墻采用板單元，為2D 模型，錨桿采用梁單元，為1D 結(jié)構(gòu)。在MIDAS/GTS 中有錨桿建模助手功能，利用此功能進行錨桿設(shè)置，在支護結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分完畢后，再根據(jù)土層信息和開挖部分劃分網(wǎng)格。由于電腦性能原因?qū)⒕W(wǎng)格大小設(shè)置為5，生成結(jié)果。接下來設(shè)置荷載條件，在該模型中只需設(shè)置自重即可，自重方向設(shè)置與Z 軸方向相反，為防止巖土邊界發(fā)生位移或轉(zhuǎn)動，需要約束其邊界條件，即設(shè)置邊界約束條件。完成邊界約束后，即可定義施工階段，其步驟見表3。

表3 施工階段定義表

施工階段階段一（需勾選位移清零）階段二階段三階段四階段五激活數(shù)據(jù)網(wǎng)格素填土層、淤泥質(zhì)土層、黏性土層、中砂層、中砂底層、開挖1-1、開挖1-2、開挖2、開挖3-1、開挖3-2、開挖4-1、開挖4-2地下連續(xù)墻第一層錨桿第二層錨桿第三層錨桿鈍化數(shù)據(jù)網(wǎng)格/階段六開挖1-1、開挖1-2網(wǎng)格部分開挖2開挖3-1、開挖3-2開挖4-1、開挖4-2/

4.2.3 分析結(jié)果提取

分析結(jié)果提取見圖1～圖4。

圖1 開挖至坑底土體位移云圖

圖2 開挖至坑底支護結(jié)構(gòu)位移云圖

圖3 開挖至坑底錨桿及地下連續(xù)墻彎矩云圖

圖4 開挖至坑底錨桿及地下連續(xù)墻剪力云圖

在圖2中模型各部分顏色對照右側(cè)信息可以提取出各部分位移值。開挖至坑底支護結(jié)構(gòu)最大位移絕對值為26.4433mm，在25～30mm 之間，根據(jù)《建筑深基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2009），該深基坑施工符合監(jiān)測控制要求。在圖3中模型各部分顏色對照右側(cè)信息可以分析出支護結(jié)構(gòu)各部分的彎矩值，其中最大彎矩為237.52kN·m。在圖4中模型各部分顏色對照右側(cè)信息可以分析出各部分的剪力值，其中最大剪力值為157.35kN，最大軸力值為618.92kN。

5 結(jié)語

以廣州地鐵某深深基坑支護設(shè)計為工程實例，根據(jù)所給的設(shè)計資料和《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）的要求，進行了支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使用MIDAS/GTS 建立地下連續(xù)墻與錨桿相結(jié)合的實體模型，開挖至坑底支護結(jié)構(gòu)最大位移絕對值為26.4433mm，在25～30mm 之間，根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2009），該深基坑施工符合監(jiān)測控制要求。該技術(shù)手段可幫助設(shè)計人員進行設(shè)計，幫助施工單位降低安全事故發(fā)生的概率。