深基坑開挖的數(shù)值模擬分析及支護(hù)優(yōu)化

汪亞林，李大華，陳碩豪，王 迪

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥 230601；2.馬鞍山首建工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，安徽馬鞍山 243000）

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市的高層建筑以及地下工程越來越普遍，深大基坑在開挖過程中，難度和復(fù)雜性較大，需要考慮的安全因素眾多，這也導(dǎo)致了一系列關(guān)于深基坑開挖與支護(hù)出現(xiàn)的問題。因此，有必要在基坑開挖過程中進(jìn)行變形監(jiān)測和數(shù)值模擬分析，確保開挖過程安全以及基坑周圍建筑物的安全。國內(nèi)外對深基坑開挖與支護(hù)的研究很多，支護(hù)方式也有許多，比較常見的有土釘墻支護(hù)，排樁支護(hù)，地下連續(xù)墻支護(hù)等，但是在深大基坑開挖與支護(hù)的研究上還是略顯不足。[1-3]在基坑開挖時，基坑內(nèi)部會因?yàn)橥馏w自重卸荷產(chǎn)生的應(yīng)力釋放發(fā)生應(yīng)力重分布引起位移變化，主要的位移變化有三種，分別是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，基坑底部土體向上隆起和基坑外側(cè)地表沉降。這三種位移變形存在著一定的相關(guān)性，在基坑施工過程中，基坑內(nèi)側(cè)的土體被開挖，開挖的土體自重應(yīng)力消失，從而引起基坑側(cè)壁和基坑底部土體的應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致基坑內(nèi)側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移，基坑底部土體產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，同時土體的整體位移會致使基坑外側(cè)地表產(chǎn)生沉降。各個基坑因?yàn)橹車乃牡刭|(zhì)環(huán)境不同，開挖深度不同以及支護(hù)結(jié)構(gòu)措施不同，所產(chǎn)生的危險影響也不同，所以對基坑開挖的數(shù)值模擬分析是必不可少的。

本文依托合肥市某蓄水池深基坑工程為背景，對基坑開挖進(jìn)行施工監(jiān)測，利用MIDAS/GTS NX 軟件對基坑開挖支護(hù)過程進(jìn)行模擬，經(jīng)過對該深大基坑支護(hù)方法的研究，可為類似條件下，深大基坑開挖及支護(hù)提供安全可靠的參考。經(jīng)過數(shù)值模擬驗(yàn)證監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性，得出使用有限元軟件來模擬實(shí)際工程是可靠的，為優(yōu)化施工方案和工程安全提供了保障。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

該蓄水池基坑位于合肥市蜀山區(qū)，基坑開挖平面面積約為5 968.04m2，基坑長約為100 m，寬約為60 m，開挖深度約為9 m。分三次開挖，每次開挖3 m，基坑的支護(hù)體系是圍護(hù)樁加內(nèi)支撐體系，開挖一和開挖二使用圈梁和內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)，開挖三使用圈梁和錨桿進(jìn)行支護(hù)?；悠矫鎴D見圖1。

圖1 基坑平面圖

1.2 地質(zhì)條件

該工程附近地區(qū)的土體主要由三層組成：第一層為粉質(zhì)粘土夾粉土，顏色呈灰黃色，青灰色；第二層為粉土，顏色呈灰黑色，褐黃色；第三層為粉質(zhì)粘土，顏色呈灰褐色，灰黃色。這三層土體及巖石土層的計算指標(biāo)見表1。

表1 各巖土層計算指標(biāo)

1.3 工程監(jiān)測頻率及預(yù)警值

深基坑監(jiān)測工作是基坑開挖與支護(hù)作業(yè)的重點(diǎn)階段之一，需要根據(jù)施工工況，適當(dāng)加密監(jiān)測頻率。測點(diǎn)布置應(yīng)根據(jù)施工階段，如交通導(dǎo)改、管線遷移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖及回填等情況布置，遇到障礙物可適當(dāng)做調(diào)整[4]，并且時刻保持布點(diǎn)圖的更新，與實(shí)際保持一致。監(jiān)測點(diǎn)需要反映監(jiān)測對象的實(shí)際狀態(tài)及變化趨勢，應(yīng)布置在內(nèi)力關(guān)鍵特征點(diǎn)上，并減少對施工作業(yè)不利影響。監(jiān)測內(nèi)容不同相對應(yīng)的監(jiān)測報警值和監(jiān)測時間也不同，而現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)既可以保證施工作業(yè)安全順利地進(jìn)行，又為我們后續(xù)使用有限元分析軟件建立模型提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。本基坑工程的監(jiān)測內(nèi)容與預(yù)警值見表2。

表2 監(jiān)測頻率及預(yù)警值

2 有限元模型的建立

2.1 建模前的準(zhǔn)備

MIDAS-GTS 軟件分析功能強(qiáng)大，操作頁面簡潔，模擬準(zhǔn)確度較高，適用于各種基坑工程的模型建立與分析[5-6]，因此本文運(yùn)用該軟件對此基坑進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)討論基坑開挖時的位移變形和沉降影響。

基坑圍護(hù)體系采用排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，建模時考慮到鉆孔灌注樁與地下連續(xù)墻具有相似的受力方式，按樁墻抗彎剛度等效原則將排樁結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻。可根據(jù)以下公式對等效地連墻厚度進(jìn)行計算獲取

其中：d——圍護(hù)樁的直徑，mm；s——圍護(hù)樁的樁間凈距，mm；E0——等效地連墻的彈性模量；t——等效地連墻厚度，mm；E1——圍護(hù)樁的彈性模量（一般為所用混凝土的彈性模量）。

根據(jù)上式所求得本模型等效地連墻厚度為1 002mm，取1 000mm?；庸こ炭蛇x用的模型類型有修正莫爾-庫倫、莫爾-庫倫和劍橋模型等，本文數(shù)值分析模型采用的是修正-莫爾庫倫本構(gòu)體系。土體的修正莫爾-庫倫模型參數(shù)見表3。

表3 土體修正莫爾-庫倫模型參數(shù)

2.2 建模步驟

（1）設(shè)置材料及屬性：建立一個重力方向?yàn)閆三維模型，設(shè)置好單位系統(tǒng)。接著把三層土體的屬性和建模所需要用到的材料及其屬性設(shè)置完成，該基坑開挖與支護(hù)所需要用到的材料及屬性見表4。

表4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料及其屬性

（2）拓展實(shí)體：導(dǎo)入事先建立好的DWG 二維線框，把基坑立柱從水平方向旋轉(zhuǎn)到豎直方向。在幾何選項(xiàng)中進(jìn)行實(shí)體擴(kuò)展，包括基坑實(shí)體和三層土體的實(shí)體，土體的實(shí)體擴(kuò)展體積為400m×300m×36m。

（3）分割實(shí)體：采用布爾運(yùn)算對三層土體以及基坑開挖深度和降水區(qū)域進(jìn)行劃分。

（4）印刻：由于基坑立柱是1D 梁單元，所以在生成網(wǎng)格之前要進(jìn)行自動印刻保證基坑立柱與周圍實(shí)體節(jié)點(diǎn)耦合。

（5）劃分網(wǎng)格：基坑尺寸為2.5,使用混合網(wǎng)格生成器，在基坑實(shí)體劃分的過程中選擇高級表單將基坑一并劃分，使其節(jié)點(diǎn)耦合。三層土體單獨(dú)劃分，土體劃分尺寸為10。

（6）析?。翰捎脦缀挝鋈〉姆绞缴傻剡B墻、圈梁和內(nèi)支撐。生成完如圖2所示。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)生成圖

（7）設(shè)置錨桿：使用錨建模助手在第三次開挖設(shè)置錨桿，錨桿的未灌漿長度為4m，灌漿長度為6m，錨桿的預(yù)應(yīng)力為100kN。

（8）屬性更改：在網(wǎng)格全部生成完成后，將所有的結(jié)構(gòu)單元屬性更改準(zhǔn)確，并分號不同類型，便于后續(xù)操作。

（9）給與約束：對于基坑立柱，設(shè)置RZ約束。對于整個模型，設(shè)置自動邊界約束。最后定義自重荷載。

3 基坑及土體變形及沉降分析

基坑變形主要由圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、基坑底部隆起、坑外側(cè)地表土體位移三部分組成，三者相互影響，相互聯(lián)系。

3.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

有限元軟件數(shù)值模擬分析結(jié)果如圖3 所示，即基坑開挖2-3 完成后基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移云圖。由圖3 可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移在基坑兩端處呈連續(xù)倒三角形狀，基坑開挖越深處水平位移越明顯，最大達(dá)到了約7.08mm，隨著基坑不斷地開挖，地連墻的水平位移越來越大，這是由于在基坑施工過程中，基坑內(nèi)側(cè)的土體被開挖，開挖的土體自重應(yīng)力消失，從而引起基坑側(cè)壁和基坑底部土體的應(yīng)力得到釋放，導(dǎo)致基坑內(nèi)側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移。由線上圖可以看出，開挖1-3結(jié)束后，圍護(hù)樁頂端的水平位移都是呈先增大后減小，其峰值都是在靠近中間點(diǎn)和地連墻兩端之間。從數(shù)值模擬得到的云圖可以看出，該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形并未超過預(yù)警值。

圖3 開挖2-3地連墻位移云圖

3.2 基坑底部隆起

如圖4所示，隨著基坑開挖不斷地進(jìn)行，基坑底部的土體因?yàn)殚_挖的土體自重應(yīng)力的消失，會產(chǎn)生隆起[7-10]，導(dǎo)致基坑底部出現(xiàn)“ 大肚子”現(xiàn)象。當(dāng)基坑開挖到最底部時，基坑底部土體應(yīng)力得到釋放，產(chǎn)生了向上隆起，由外向內(nèi)逐漸增大，在基坑底部中段達(dá)到最大，約為10.2mm。由線上圖可以看出，當(dāng)進(jìn)行完開挖3 后基坑底部土體的向上位移呈先增大后減小趨勢，基坑立柱所在的周圍基坑隆起較不明顯。

圖4 基坑整體豎向位移云圖

3.3 基坑外側(cè)地表沉降

如圖5 所示，在基坑開挖過程中，由于開挖的土體的自重應(yīng)力和側(cè)向土壓力的消失，會對基坑外表面土體產(chǎn)生水平和豎直方向的影響，其中我們最應(yīng)該關(guān)注基坑外側(cè)的地表沉降?；娱_挖完成后，坑外地表沉降隨著距離變遠(yuǎn)影響逐漸減小，由整體豎向云圖可知，坑外地表沉降在開挖3后達(dá)到最大，可達(dá)約24.7mm。地表沉降的影響范圍是基坑開挖深度的6-7倍左右，影響范圍最大在基坑開挖深度2倍以內(nèi)。由開挖1-3的地表沉降線上圖可以看出，基坑周圍地表沉降由基坑周邊向外呈先減小后增大趨勢，最大沉降點(diǎn)一般在基坑的周圍，所以基坑周邊附近的土體位移需要加以關(guān)注，避免事故的發(fā)生。

圖5 基坑外地表沉降云圖

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

經(jīng)過監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，如表5所示，發(fā)現(xiàn)實(shí)測值略大于模擬值且誤差都在5%以下，證明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

表5 監(jiān)測結(jié)果與模擬值對比

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

4.1 優(yōu)化圍護(hù)樁樁徑

本文建立的模型中將基坑周邊的圍護(hù)樁等效成了地連墻，所以要想改變圍護(hù)樁的樁徑，就等同于改變地連墻的厚度。[11-12]原本的模型中地連墻的厚度為1 000 mm，使用控制單一變量的方法，只改變地連墻的厚度，得出相應(yīng)的模型結(jié)果。分別設(shè)置厚度T 為800 mm，900 mm，1 000 mm（原本），1 100 mm，1 200 mm，1 300 mm為對照組進(jìn)行模擬得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向水平位移。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)X方向的最大水平位移隨著地連墻的厚度增加而減小，減小趨勢在厚度增加到1 200 mm以后趨于平緩，影響范圍也在逐漸減小。地連墻厚度在1 200 mm時，最大位移約為6.83 mm，而原來厚度為1000mm時的最大位移約為7.08mm。相比較于之前，安全系數(shù)得到了有效的提升，最大位移變化如圖6所示。

圖6 位移變化折線圖

4.2 優(yōu)化錨桿嵌入角度

該基坑原本的錨桿與水平向夾角角度為20°，本文設(shè)置了四個對照組分別為15°，20°（原本），25°，30°來優(yōu)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)，得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移云圖如圖7所示。從下圖對比可以看出：調(diào)整錨桿與水平向夾角，會對基坑變形產(chǎn)生影響，本項(xiàng)目錨桿與水平向夾角為15°和30°時相較于原設(shè)計基坑變形增大，而在25°時，相較于原設(shè)計基坑變形減小，所以想要改變錨桿嵌入角度來優(yōu)化基坑支護(hù)方案，錨桿與水平向夾角并非越大越好。錨桿角度越大，位于下方持力層的錨桿錨固段更長且力學(xué)性能更好，但由于水平方向的分力減少，所以反而使得錨桿的作用發(fā)揮不佳。

圖7 不同錨桿水平角度下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移

5 結(jié)論

結(jié)合該基坑工程開挖與支護(hù)的案例，并用MIDAS/GTS 軟件對該工程進(jìn)行模擬，設(shè)置施工工況，分析基坑開挖時出現(xiàn)的不利影響和對周圍土體的影響，得到的結(jié)論如下：

（1）隨著基坑開挖深度增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大，對周圍外表面的土體沉降影響逐漸增強(qiáng)，基坑底部土體會出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

（2）基坑工程所設(shè)置的圍護(hù)樁、圈梁、內(nèi)支撐以及錨桿組成的圍護(hù)支撐結(jié)構(gòu)有效地控制了基坑開挖對基坑外表面土體沉降的影響，保障周圍其他建筑物的安全。

（3）隨著基坑開挖深度增加，周圍外表面的土體沉降顯著。該基坑開挖對外表面土體沉降的影響范圍在開挖深度的6-7倍左右，影響最深的地方在基坑開挖的墻邊。

（4）優(yōu)化該基坑的圍護(hù)樁樁徑，發(fā)現(xiàn)在地連墻厚度為1200mm 時，該基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)固，支護(hù)效果更佳。

（5）改變該基坑錨桿與水平向夾角，發(fā)現(xiàn)在角度并非越大越好，在25°時基坑變形較小，支護(hù)效果最佳。