基于數(shù)值模擬的深基坑支護設計

劉 帥， 李向群

(吉林建筑大學 測繪與勘察工程學院, 吉林 長春 130118)

隨著改革步伐的加快，建筑行業(yè)的發(fā)展日新月異。為了滿足經(jīng)濟建設的需要，高層與超高層拔地而起，城市建設用地日趨緊張。為了能夠更高效地利用土地資源，緩解城市用地的緊張局面，深基坑已經(jīng)成為建筑高層與超高層不可避免的選擇。基坑工程不僅僅是一項單一的工程項目，有很多的繁瑣性與復雜性，涉及的學科知識眾多?；庸こ痰脑O計和施工與實際情況聯(lián)系密切，如果對現(xiàn)場的地質(zhì)勘察不清楚和周圍環(huán)境考慮不周，可能會造成基坑的失穩(wěn)或者坍塌等嚴重事故。為了有效預防此類事故，對基坑開挖過程中出現(xiàn)的變形情況進行現(xiàn)場監(jiān)測，若有問題出現(xiàn)，可以進行及時處理和加固。這種現(xiàn)場監(jiān)測手段是在施工過程中對基坑變形情況的監(jiān)管，無法起到預測的作用。有限元分析軟件，可以對基坑開挖過程進行數(shù)值模擬，能有效對基坑施工過程中可能產(chǎn)生的變形和沉降情況進行預測，對基坑的變形規(guī)律進行更好地歸納與總結(jié)，提出基坑結(jié)構(gòu)設計和施工中存在的問題，以及合理的改進措施。

1 基坑工程的特點

基坑工程是一項綜合性較強的工程，涉及支護結(jié)構(gòu)的設計與施工、土方的開挖與回填、基坑周圍土體與建筑物的變形監(jiān)測、信息化施工等多個方面[1]?；庸こ掏瑫r還具有風險性、區(qū)域性、時空效應和環(huán)境效應等方面的特點，需要眾多學科理論知識的支持。

(1)區(qū)域性強?；庸こ淘谥ёo結(jié)構(gòu)設計和施工過程中需要考慮的因素很多，包括地質(zhì)條件、水文條件以及氣象條件等，這些都不可以被忽視。同時基坑周圍環(huán)境情況，如:周邊建筑物、地下管線和地下管道等，也需要進行考慮。基坑的結(jié)構(gòu)設計和施工方案不能挪用外地工程的方案，要遵循因地制宜的原則。

(2)綜合性較強。基坑工程需要多個學科的專業(yè)知識，包含了巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、工程測量和有限元分析等?；庸こ虖脑O計到完工需要多個步驟，這些工序之間聯(lián)系緊密，若在整個施工當中有任何一個工序出現(xiàn)問題，都可能導致安全事故。

(3)時空和環(huán)境效應顯著。時空效應主要表現(xiàn)在，由于土體蠕變的特性，基坑開挖深度、面積等因素的不同，導致土體的穩(wěn)定性和強度存在著差異，隨著時間的推移變化更加明顯。同時，基坑開挖深度不段加大，土體原有的受力平衡狀態(tài)被打破，也會造成時空效應的出現(xiàn)。環(huán)境效應主要表現(xiàn)是，基坑開挖對周圍建筑和地下管線會造成影響。因此，在基坑支護設計和施工中應把這些因素充分考慮在內(nèi)。

(4)支護結(jié)構(gòu)的臨時性。基坑開挖時為了自身系統(tǒng)和周圍環(huán)境的安全穩(wěn)定，實施一種臨時結(jié)構(gòu)支護，其建設周期較短，成本較高，降低造價，事故發(fā)生的風險會增大[2]。

2 基坑支護數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)地質(zhì)勘察中土層的性質(zhì)，土體本構(gòu)模型選用摩爾-庫倫模型?；娱_挖時影響范圍的選取，一般與基坑開挖深度、土質(zhì)條件和地下水滲流程度等因素有關(guān)，基坑在數(shù)值模擬時影響區(qū)域邊界的大小對計算結(jié)構(gòu)的精確度有很大的影響[3-4]?；訉χ車馏w影響范圍的選取,通常是從基坑壁邊界向周圍擴大3～4倍的開挖深度，深度影響范圍約取2～4倍的樁長的深度[5]。某基坑工程的開挖深度為9 m,寬度為17 m,采用樁錨加混凝土內(nèi)支撐的復合支護方式。根據(jù)基坑開挖深度和周圍環(huán)境的情況，在影響范圍邊界選取上，模型的X方向(水平方向)為70 m,模型的Y方向(土層豎直方向)為36 m。利用Midas GTS軟件對基坑開挖建立二維模型進行模擬。二維模型選用混合網(wǎng)格生成器進行網(wǎng)格劃分，基坑開挖區(qū)選用0.5 m的尺寸，影響區(qū)域邊界選用1.5 m的尺寸，依次從疏到密進行劃分，共劃分成3 842個網(wǎng)格單元，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型圖

2.2 施工工況

基坑的開挖與支護一共分為5個施工步驟，設置5種工況進行模擬和分析。

工況1：初始應力場分析,把各個土層進行激活，施加自重和邊界荷載，勾選位移清零；

工況2：進行圍護樁施工;

工況3：開挖至3 m處，在0.5 m位置處進行混凝土內(nèi)支撐施工；

工況4：開挖至6 m處，在3 m位置處進行混凝土內(nèi)支撐和錨桿施工，錨索入射角度為15°，錨索分為兩部分，自由段為4 m，錨固段為6 m,提前施加的預應力為100 kN；

工況5：開挖至9 m處，在6 m位置處進行混凝土內(nèi)支撐和錨桿施工，錨索入射角度為15°，錨索分為兩部分，自由段為4 m，錨固段為6 m,提前施加的預應力為100 kN。

2.3 基坑水平位移結(jié)果分析

隨著施工的進行，開挖深度逐漸加大，土體原來的平衡狀態(tài)被打破，應力出現(xiàn)變化，應力重新分布再次達到平衡狀態(tài)?；硬煌课划a(chǎn)生的位移不同，其不同區(qū)域受到的應力情況也有差異。開挖支護完成時模擬出的水平位移云圖，如圖2所示。

從圖2可以看出：隨著開挖深度的加大，覆蓋的土體逐漸減少，基坑下部土體出現(xiàn)卸荷，從原本的固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為超固結(jié)狀態(tài)，應力得到釋放，基坑土體的水平位移不斷加大，最大水平位移為1.67 mm,是開挖深度的0.012%，滿足基坑規(guī)范要求。

圖2 水平位移云圖

2.4 基坑豎直位移結(jié)果分析

隨著基坑施工的進行，開挖深度不斷加大，基坑周圍土體的豎向位移也不斷變化?；庸こ套詈笫┕すば蚰M完成后的豎直位移云圖如圖3所示。云圖中信息欄中負值為沉降量，正值為基坑土體隆起量。

圖3 基坑豎向位移云圖

從圖3可以得出：隨著基坑不斷開挖，基坑周圍沉降量和沉降范圍也隨之逐漸增大。基坑內(nèi)部隨著土體被開挖卸除荷載，開挖區(qū)下部土體出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，基坑壁外側(cè)土體的自重也會加大坑底的隆起量。從圖中可以看出，基坑壁附近的土體隆起量并不是最大，最大隆起量在坑底中間位置，正是離兩側(cè)圍護樁距離最大的位置?；油鈧?cè)的最大沉降量并不在基坑壁附近，而是在距離基坑壁一定距離處的位置。基坑開挖完成時，基坑最大沉降量為6.18 mm，符合規(guī)范要求。

2.5 支護樁的模擬分析

在對基坑開挖進行模擬完成后，支護樁的水平位移變化云圖如圖4所示。

圖4 支護樁水平位移圖

從圖4可以看出：支護樁的水平位移量隨著基坑開挖深度加大而加大，基坑開挖施工模擬完成后，樁體最大的位移為1.44 mm左右，支護樁中部的位移量處于6～14 mm之間;支護樁最小水平位移量，處于樁3 m左右的位置，位移值為0.1 mm。支護樁的嵌固深度為7 m，從位移云圖可以看出在樁嵌固深度部分的水平位移量比較小。由圖可對樁體位移規(guī)律進行有效總結(jié)，從上到下樁體水平位移量先逐漸增大后逐漸減小。在今后基坑工程的開挖施工中，對樁體的水平位移情況的監(jiān)測也不能忽視。

3 結(jié) 語

本文以基坑樁錨加內(nèi)支撐復合支護結(jié)構(gòu)為研究對象，利用Midas/GTS NX有限元軟件對基坑開挖過程進行數(shù)值模擬，用模擬結(jié)構(gòu)對基坑開挖時的水平和豎直位移變化規(guī)律進行研究，同時對支護樁的水平位移情況進行分析。

(1)對基坑模擬完成的水平位移云圖進行分析可知，基坑側(cè)壁土體向坑內(nèi)移動趨勢隨著基坑開挖深度的加大而逐漸加大，土體的水平位移值與離基坑側(cè)壁距離的遠近成負相關(guān)，位移量隨其距離的增大而減小。基坑在開挖初始階段就已經(jīng)出現(xiàn)土體水平位移。實際基坑開挖從開始到結(jié)束，應該密切注意基坑側(cè)壁水平位移的監(jiān)測，預防施工安全事故。

(2)隨著基坑開挖深度的加大，基坑側(cè)壁附近的土體豎向位移逐漸的增大?；觾?nèi)土體出現(xiàn)隆起，基坑外側(cè)地表產(chǎn)生沉降?；拥淖畲蟪两盗亢吐∑鹆坎皇窃诨觽?cè)壁附近，最大隆起量在離圍護樁較遠位置處，最大沉降量在距離基坑側(cè)壁一定距離處。在開挖初期基坑周圍土體已經(jīng)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。在基坑施工過程中，應當密切注意基坑側(cè)壁外側(cè)地表、相鄰建筑物和埋藏地下管線的豎向位移情況。

(3)由于連梁的作用，支護樁水平位移隨著樁體嵌固深度的增大而逐漸減小，這是因為樁底端嵌入到底部土體當中，土體對樁體的水平位移起到了一定的約束作用。在實際的工程施工當中應當加強對樁體的水平位移變化的監(jiān)測。