某深大基坑頂邊水平位移數(shù)值模擬研究

孫 瑤

（長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢430074）

某深大基坑頂邊水平位移數(shù)值模擬研究

孫 瑤*

（長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢430074）

采用MIDAS/GTS軟件，對某一深大基坑頂邊土體的水平位移進(jìn)行了模擬研究。模擬結(jié)果顯示，基坑開挖施工過程中，坑邊土體的最大位移發(fā)生在東西兩側(cè)坑邊中部，分別為12.1mm和11.5mm，而在南北兩側(cè)坑邊的水平位移卻相對較小。通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，表明應(yīng)用MIDAS/ GTS軟件并根據(jù)前期工程勘察報告合理選取參數(shù)，不僅能夠有效評價基坑的穩(wěn)定性，還能預(yù)先了解基坑施工過程中坑外土體可能發(fā)生最大位移的位置，有利于提前設(shè)置安全防護(hù)措施并嚴(yán)密管理施工作業(yè)，保障施工人員和設(shè)備的安全。

基坑；坑邊土體；水平位移；數(shù)值模擬；現(xiàn)場監(jiān)測

1 概述

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)和人口數(shù)量不斷增長，高層與超高層建筑越來越多，相應(yīng)的基坑開挖工程也日益增多。在基坑開挖施工過程中，為了保證基坑與臨近建筑安全，除了采取必要的降水與支護(hù)工程措施外，還需要在基坑開挖過程中對相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測。其中，基坑水平位移監(jiān)測能夠直接反映基坑邊坡的穩(wěn)定性，是指導(dǎo)基坑開挖的重要依據(jù)之一。因此，實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測基坑水平位移的變化，對保證基坑開挖的施工安全具有重要意義[1-5]。此外，隨著數(shù)值模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，有限單元法（以下簡稱有限元）以其很強的適用性、易掌握性以及便于計算機編程等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在運用有限元方法解決巖土工程技術(shù)問題時常用的方法有2種：總應(yīng)力有限元法和有效應(yīng)力有限元法。有限元法將問題用矩陣形式表達(dá)出來，便于編寫相應(yīng)的計算機程序，并且能夠充分利用計算機高速、便捷、精確的優(yōu)勢[6-7]。因此，本文采用MIDAS/GTS軟件對某地一個深大基坑頂邊土體水平位移進(jìn)行模擬研究，為該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果評價提供技術(shù)支持。

2 工程概況

該基坑工程東西兩面有建筑物，南北面為市政路，開挖平面呈矩形，周長約535m，開挖深度為10m，支護(hù)形式有“放坡+鉆孔樁+攪拌樁+錨索”、“鉆孔樁+旋噴樁+內(nèi)支撐”和“放坡+鉆孔樁+攪拌樁+內(nèi)支撐”3種形式。根據(jù)前期工程勘察報告，勘探深度范圍內(nèi)的地層由上至下可劃分為4個單元層，分別為填土層（平均厚度2.63m）、沖積土層（平均厚度31.09m）、殘積土層（平均厚度7.63m）和基巖。基坑現(xiàn)場共布設(shè)23個坑邊土體水平位移監(jiān)測點，如圖1所示。

圖1 基坑坑邊土體水平位移監(jiān)測點布置示意圖

3MIDAS/GTS模擬分析

3.1 模型介紹

本模型是以該基坑實際情況為基礎(chǔ)并對其優(yōu)化后所建立的三維基坑開挖模型。模型結(jié)構(gòu)措施眾多，有內(nèi)支撐、圍護(hù)樁、雙排樁、冠梁、腰梁、立柱、預(yù)應(yīng)力錨索等，且由于基坑跨度比較大（該基坑最長跨度163m，最寬跨度112m，呈一刀形），所以在模擬計算單元的劃分上采取了非致密網(wǎng)格劃分法，以避免最終因網(wǎng)格數(shù)太多而無法計算。在文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際對結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行了一定的簡化。首先，通過剛度折減法將圍護(hù)樁和雙排樁等效為相應(yīng)的地下連續(xù)墻；其次，對結(jié)構(gòu)措施的參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整以方便后續(xù)模擬計算。

根據(jù)MIDAS/GTS軟件的變量設(shè)置要求對基坑參數(shù)做了如下優(yōu)化：

（1）對基坑邊線進(jìn)行了規(guī)則化，使基坑平面圖幾何規(guī)則，但與實際情況相差不大。

（2）對基坑內(nèi)的土層參數(shù)和分層進(jìn)行了優(yōu)化。首先，確定坑內(nèi)各土層的平均厚度，并將與最上層填土層性質(zhì)相差不大的稍薄粉質(zhì)粘土層與填土層合并為第一層土層，將較厚的淤泥質(zhì)土設(shè)為第二層土層直到坑底，將全風(fēng)化巖設(shè)為坑底以下的第三層土。

（3）對于混凝土沖孔樁和雙排混凝土攪拌樁，建模時均采用剛度折減法將其等效為地下連續(xù)墻，采用板單元進(jìn)行模擬。

（4）對于立柱，因?qū)嶋H中采用角鋼組，鑒于支撐的參數(shù)和角鋼組捆綁后的性質(zhì)，將立柱等效為同徑圓柱形立柱。

所得到的源模型三維網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)措施如圖2和圖3所示。

圖2 基坑源模型三維網(wǎng)格

圖3 基坑開挖完成圖（所有結(jié)構(gòu)措施已添加）

3.2 模型構(gòu)成要素參數(shù)選取

模型中的土體單元視為摩爾—庫倫彈塑性材料，支撐、冠梁、腰梁等因為都是混凝土結(jié)構(gòu)，采用梁單元，視為各向同性的線彈性材料，等效的地下連續(xù)墻采用板單元。模型中共有3層土體，由上到下分別是填土、淤泥質(zhì)土和強風(fēng)化的粉砂巖。梁單元均是采用C30混凝土。模型計算具體參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

針對基坑的抗拉預(yù)應(yīng)力錨索，由于其含有自由段且存在預(yù)應(yīng)力，具有明顯的非線性效應(yīng)，因此，自由段是不與土體耦合的。結(jié)合實際情況，采用一維桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索，使用GTS提供的錨建模助手來進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索的建立，在錨索的自由度與錨固段添加預(yù)應(yīng)力，同時在連接錨索的冠梁和腰梁上施加相應(yīng)的均布荷載來平衡，均布荷載換算成力要和預(yù)應(yīng)力大小相同，但方向相反。經(jīng)過計算，將預(yù)應(yīng)力錨桿彈性模量設(shè)置為2×105MPa，等效桁架截面積設(shè)置為1.374×10-4m2，長度均取46m。

3.3 模擬結(jié)果與分析

通過MIDAS/GTS軟件分別模擬計算了該深大基坑在南北方向和東西方向上的坑邊土體水平位移情況，并對兩個方向耦合作用下坑邊土體水平位移最危險位置進(jìn)行了數(shù)值分析。

由于基坑西邊不規(guī)則轉(zhuǎn)折處和東部坑邊水平位移較大，加之其他部位施工過程中的震動傳遞，易導(dǎo)致土體剝落，影響施工安全。因此，在基坑施工過程中，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測轉(zhuǎn)折處和東部坑邊的土體表觀形態(tài)變化，并在基坑內(nèi)部采取合理的防護(hù)措施，以避免土體滑塌而引起安全事故。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表3 基坑邊緣最大水平位移實測值

4 實測驗證

在現(xiàn)場布設(shè)的23個坑邊土體水平位移監(jiān)測點中，由于安裝、施工等原因，CX13、CX15和CX16監(jiān)測點沒有獲取正常數(shù)據(jù)，故只獲得了其他20個監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)?？舆呁馏w水平位移實測結(jié)果如表3所示，其中，正號表示水平位移方向指向基坑內(nèi)部，負(fù)號表示水平位移方向指向基坑外部。

由表3可見，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的吻合，表明采用MIDAS/GTS軟件對該基坑進(jìn)行的三維建模和參數(shù)選取是比較合理的，同時也表明基坑整體支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了很好的安全防護(hù)作用，對于今后類似地質(zhì)條件下的其他基坑工程的相關(guān)數(shù)值模擬研究具有較好的參考意義，有利于保證基坑施工安全和降低事故率。

5 結(jié)論與建議

采用MIDAS/GTS軟件對該深大基坑坑邊土體的水平位移模擬計算結(jié)果顯示，基坑開挖施工過程中，沿基坑長邊走向的方向上，坑邊土體的最大位移發(fā)生在東西兩側(cè)坑邊中部，分別為12.1mm和11.5mm，在施工中應(yīng)對東西兩側(cè)坑邊予以格外重視，而在南北兩側(cè)坑邊的水平位移卻相對較小，模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)較好吻合。由此可見，根據(jù)前期工程勘察報告合理優(yōu)化基坑各組成部分的參數(shù)設(shè)置，通過MIDAS/ GTS軟件能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)先評價基坑邊緣土體的水平位移情況，進(jìn)而對基坑支護(hù)措施作出相應(yīng)的評價，有利于優(yōu)化基坑開挖方案和支護(hù)措施，保證基坑施工安全，降低事故發(fā)生率，節(jié)省工期和成本。在今后的基坑工程中，尤其是深大基坑的施工，結(jié)合現(xiàn)有數(shù)值模擬技術(shù)，需深入研究基坑各構(gòu)成要素的參數(shù)優(yōu)化，從而使數(shù)值分析結(jié)果更接近實際、更可靠。

[1]袁登科，劉國彬.南京地區(qū)深基坑測斜警戒值的探討[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，32(10):1566-1570.

[2]廖少明，劉朝明，王建華，彭樂芳.地鐵深基坑變形數(shù)據(jù)的挖掘分析與風(fēng)險識別[J].巖土工程學(xué)報，2006，28(Supp.): 1897-1901.

[3]屠傳豹，陳勇，劉國彬，李翔宇.地鐵深基坑測斜監(jiān)控指標(biāo)的探討及實踐[J].巖土工程學(xué)報，2012，34(Supp.):28-32.

[4] 谷川，潘國榮.基坑測斜成果的二維擬合及其三維顯示[J].鐵道勘察，2005，31(6):4-6.

[5]王雨，劉國彬，屠傳豹.基于遺傳-GRNN在深基坑地連墻測斜預(yù)測中的研究[J].巖土工程學(xué)報，2012，34(5):167-171.

[6]程龍飛，袁寶遠(yuǎn).基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基坑測斜位移校正與變形預(yù)測研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(12):2038-2041.

[7] Yunfeng Ge，Huiming Tang，Lei Huang.New Evaluation for Seismic Settlement in Soft Clay Based on Analytic Hierarchy Process and Clustering[C]//International Conference on Pipelines and Trenchless Technology 2011.Beijing:ASCE，2011: 458-468.

U231.4

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1004-5716(2015)10-0176-04

2015-04-08

2015-05-04

孫瑤（1982-），男（漢族），河南周口人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察與工藝技術(shù)工作。