基于MIDAS深基坑樁錨支護(hù)數(shù)值模擬分析

李明瑛，曾 朋

（1.廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 茂名525000；2.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣州510640）

目前，我國(guó)面臨著人口問(wèn)題，環(huán)境問(wèn)題等制約人類(lèi)發(fā)展的重大問(wèn)題，而土地資源是影響人口問(wèn)題最重要的一個(gè)因素，由于土地資源的有限性，我國(guó)城市建設(shè)不斷邁向高層、超高層建筑，深基坑工程也就越來(lái)越多，在當(dāng)前的基坑工程中，由于各場(chǎng)地地形條件、工程地質(zhì)條件、施工技術(shù)等各類(lèi)因素的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)型式多種多樣，既有典型的單一支護(hù)結(jié)構(gòu)，也有較復(fù)雜的多種支護(hù)結(jié)構(gòu)的組合[1]。在這些支護(hù)結(jié)構(gòu)中，樁錨（擋土排樁加預(yù)應(yīng)力錨桿）支護(hù)以適應(yīng)深基坑的發(fā)展近年來(lái)在廣東地區(qū)被普遍采用。樁錨支護(hù)形式對(duì)于開(kāi)挖深度超過(guò)8～9m的基坑，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)還是從安全可靠性上考慮，均是一種較好的支護(hù)體系。本文通過(guò)有限元軟件MIDAS對(duì)某市某地塊項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在后處理中提取支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，分析其可行性，并且來(lái)探討基坑開(kāi)挖及地下室施工過(guò)程中擋土樁的水平位移、豎向位移以及錨桿錨固力等的變化規(guī)律，為變形控制設(shè)計(jì)與工程監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

1 軟件簡(jiǎn)介

MIDAS／GTS（Geotechnical and Tunnel Analysis System）軟件是將通用的有限元分析內(nèi)核與土木結(jié)構(gòu)的專(zhuān)業(yè)性要求有機(jī)結(jié)合而開(kāi)發(fā)的巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，能夠提供完全的三維動(dòng)態(tài)模擬功能。MIDAS／GTS適用于壩體的穩(wěn)定性分析和滲流分析，固結(jié)分析，隧道工程，地基承載力與變形分析，基坑工程，大壩施工過(guò)程模擬，三維邊坡穩(wěn)定性分析，地震、爆破以及動(dòng)力荷載分析等各種巖土工程問(wèn)題。同時(shí)具備便捷的定義多個(gè)施工階段（本工程定義了5個(gè)施工階段進(jìn)行模擬），進(jìn)行不同施工階段不同圍巖類(lèi)別支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)安全系數(shù)是否滿(mǎn)足相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，定量表征隧道施工對(duì)周邊的影響，同時(shí)通過(guò)模擬驗(yàn)算分析，提出更為合理的施工方法及支護(hù)參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)施工。MIDAS／GTS提供的土體本構(gòu)模型多達(dá)16種，包括常用的Mohr－Coulomb模型，并可用戶(hù)自定義本構(gòu)模型，本工程土體采用Mohr－Coulomb模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。

2 工程概況

此地塊項(xiàng)目位于某市一地區(qū)，擬建工程為6棟41層高層住宅，1棟3層商業(yè)樓，設(shè)三層地下室，地下室基坑開(kāi)挖深度約14.4m，基坑開(kāi)挖面積約2.5萬(wàn)m2，基坑周長(zhǎng)約677m。基坑支護(hù)型式為旋挖灌注樁加預(yù)應(yīng)力錨索，東南角設(shè)混凝土角支撐，外圍設(shè)攪拌樁止水?；娱_(kāi)挖范圍內(nèi)無(wú)高層建筑、地鐵及地下管線影響。

3 場(chǎng)地的地質(zhì)條件

根據(jù)某有色工程勘察設(shè)計(jì)院提供的地質(zhì)資料，可知土層分布情況：（1）人工填土層，厚度1.70～5.00 m；（2）淤泥質(zhì)粉砂層，厚度0.40～4.70m；（3）淤泥質(zhì)土層，厚度0.40～5.30m；（4）粉質(zhì)黏土層，厚度0.40～8.00m；（5）粉細(xì)砂層，厚度0.40～3.20m；（6）中粗砂層，厚度0.50～2.00m；（7）殘積粉質(zhì)黏土，厚度0.60～7.60m；（8）強(qiáng)風(fēng)化巖，厚度0.30～20.70m。通過(guò)有限元軟件MIDAS建模所需的各土層的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)同樣可從有色院提供的地質(zhì)資料中可得，具體參數(shù)指標(biāo)值見(jiàn)表1。

表1 各土（巖）層主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)值

4 有限元計(jì)算模型

根據(jù)相關(guān)部門(mén)提供的資料，綜合考慮工程情況，采用大型有限元軟件MIDAS，對(duì)本工程進(jìn)行模擬分析。支護(hù)結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。設(shè)計(jì)4排錨索，傾角從上至下保持一致，由于基坑形狀是長(zhǎng)條形而不是方形的，空間效應(yīng)不是很明顯[2]，因此不考慮基坑的空間效應(yīng)，將其作為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行穩(wěn)定性分析是合理的。整個(gè)模擬過(guò)程采用彈塑性大變形理論，破壞準(zhǔn)則為摩爾—庫(kù)倫準(zhǔn)則。

圖2為計(jì)算整體模型，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，模型計(jì)算范圍取基底以下2倍的基坑開(kāi)挖深度，影響寬度取開(kāi)挖深度的2～3倍。但本工程屬于大面積基坑，此時(shí)，基坑影響范圍應(yīng)取1倍以上的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度。因此計(jì)算區(qū)域側(cè)邊界離基坑邊緣取145m，大于0.5倍長(zhǎng)邊范圍，這樣計(jì)算區(qū)域的面積大致為500m×400m。

本模型中，土體按照不同材料分為7層，材料參數(shù)初步選取見(jiàn)表1，采用高階次線性三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于模型中樁與土的模量相差很大，在兩者界面上常伴隨有較大的剪應(yīng)力，為了與實(shí)際工程更加符合，在樁與土體間應(yīng)設(shè)置接觸面單元[3]，鑒于以上原因，按照等效剛度的原則，本模型中使用1.02m厚的連續(xù)墻來(lái)替代排樁，在樁與土體之間附加了一軟弱薄層，避免了摩擦型接觸單元的缺陷，可以較好地反映法向變形和切向變形以及應(yīng)力的傳遞，且設(shè)置簡(jiǎn)單，方便計(jì)算。

5 模擬結(jié)果與分析

本工程設(shè)計(jì)統(tǒng)一4層錨桿，按照實(shí)際施工工序，分5步模擬基坑的施工過(guò)程。MIDAS通過(guò)刪減土體單元和增加結(jié)構(gòu)支護(hù)單元（錨桿單元）來(lái)模擬開(kāi)挖和支護(hù)[4]。

5.1 基坑的豎向變形

由于基坑邊剛度較大[5]，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體的位移起到了一定的控制作用，同時(shí)土體與樁之間的摩擦（連續(xù)墻與土體之間的接觸單元）限制了土體的變形，所以地表最大沉降發(fā)生位于距開(kāi)挖面一定距離處?；拥撞坑捎陂_(kāi)挖的卸載作用而隆起變形，由第一步開(kāi)挖可以看出模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值相差不大，符合實(shí)際。同時(shí)根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果分析可知第一步、第二步

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

5.2 支護(hù)樁水平位移分析

為保證基坑安全，對(duì)基坑樁頂水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在基坑的6個(gè)邊界上共設(shè)置45個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本文將其中4個(gè)主要點(diǎn)的樁頂變形模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，圖中的A、B、C、D四點(diǎn)分別是基坑北側(cè)、基坑西側(cè)、基坑南側(cè)、基坑?xùn)|側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置（見(jiàn)圖3—6），經(jīng)過(guò)比較分析，B、C、D點(diǎn)位移模擬值與實(shí)測(cè)值變化范圍相差不大，符合工程實(shí)際，A點(diǎn)位移實(shí)測(cè)值在第開(kāi)挖中隆起量較大，第一步開(kāi)挖后坑底隆起變形量達(dá)到0.025m，第二步開(kāi)挖坑底隆起變形量增至0.066 m，之后幾步開(kāi)挖坑底隆起變形無(wú)多大變化，但隨著下挖至巖石層，隆起量回落，最后一步開(kāi)挖后隆起變形量為0.006m。一步開(kāi)挖（4月6號(hào)）時(shí)水平位移為0.005 6m，之后一段時(shí)間位移有所回彈，之后累計(jì)位移量下降到0.001 2m，往后回升。因?yàn)樵摱问┕て陂g，東北角材料搬遷，大量卸載，以及支護(hù)加撐等影響因素存在導(dǎo)致基坑樁頂位移回彈。從圖3可以看出模擬值與實(shí)測(cè)值有一定的出入，故恰能反映工程實(shí)際?；拥谝淮伍_(kāi)挖后以及最后一步開(kāi)挖后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移模擬值分別見(jiàn)圖7—8。

圖2 三維有限元模型

圖3 A點(diǎn)位移

圖4 B點(diǎn)位移

圖5 C點(diǎn)位移

圖6 D點(diǎn)位移

5.3 錨桿錨固力分析

圖9是基坑最后一步開(kāi)挖后錨桿的應(yīng)力分布情況，基坑開(kāi)挖后，主動(dòng)土壓力增大[6]，通過(guò)樁和冠梁作用于錨桿，錨端水平位移隨之迅速增大，直至基坑土壓力穩(wěn)定，錨端水平位移才穩(wěn)定于某一水平；當(dāng)錨桿預(yù)應(yīng)力較小時(shí)，增大預(yù)應(yīng)力對(duì)控制錨端水平位移效果顯著，但預(yù)應(yīng)力增大到某一水平，再增加預(yù)應(yīng)力，由于土體本身的粒狀流動(dòng)性，便很難再取得同樣效果[7]。本工程中基坑最后一步開(kāi)挖后，所有錨桿均處于受拉狀態(tài)，錨桿軸力在自由段均勻分布，進(jìn)入錨固段后錨桿軸力急劇減小，隨后緩慢減小，錨桿自由段相當(dāng)于一端固定，另一端自由的桿件，受軸向力后，整段桿件中軸力分布均勻分布，而進(jìn)入錨固段后由于砂漿的傳力作用，逐漸將錨桿軸力分擔(dān)給錨孔周?chē)馏w承擔(dān)，因此，錨桿軸力逐漸減小。同時(shí)隨著錨桿水平間距的增加，錨桿最大拉力也相應(yīng)增加，但從控制基坑土體變形和防止產(chǎn)生群錨效應(yīng)考慮，錨桿水平間距取1.5 m左右為宜。

圖7 第一步開(kāi)挖后X方向的水平位移（m）

圖8 最后一步開(kāi)挖后X方向的水平位移（m）

圖9 最后一步開(kāi)挖后錨桿的應(yīng)力云圖（KN／m2）

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本文針對(duì)某地塊基坑工程，應(yīng)用 Midas有限元軟件進(jìn)行三維有限元模擬分析，本文將樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)按照剛度等效為混凝土墻，采用總應(yīng)力法，得出變形結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值相差不大，可以反映實(shí)際，此模型具有可行性。

（2）基坑土體豎向最大沉降發(fā)生在基坑邊緣背后一定距離處，應(yīng)對(duì)該位置處的建（構(gòu)）筑物及地下管線采取必要的保護(hù)措施，同時(shí)應(yīng)在該位置處布置控制點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋信息。

（3）樁身的最大水平位移在頂端，基坑邊緣的中點(diǎn)，特別是長(zhǎng)邊的中點(diǎn)附近，在所有支護(hù)結(jié)構(gòu)中，第一排錨桿的性能好壞直接影響著位移的變化，需加強(qiáng)錨桿的性能。

（4）錨桿軸力在自由段均勻分布，在錨固段逐漸減??；對(duì)于本工程，錨固段長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，造成了經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，這與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中錨桿變形測(cè)量的出的結(jié)論一致，再次證明了數(shù)值方法分析基坑工程是切實(shí)可行的。增加錨桿預(yù)應(yīng)力可減小錨端水平位移量，進(jìn)而減小基坑水平位移，但隨著預(yù)應(yīng)力增大程度的增加減小作用有所減弱。

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