分塊開挖方式下基坑變形有限元分析

石平杰

本文通過利用M IDAS/GTS/有限元分析軟件，對上海“盛世豪園(二期)”的大型基坑工程進(jìn)行考慮分塊開挖的有限元分析，并對基坑變形進(jìn)行系統(tǒng)分析。通過與工程實測值進(jìn)行比較，驗證了有限元計算程序的可靠性，證明了建立的有限元模型在基坑開挖分析中的合理性，并對有限元誤差進(jìn)行了分析和探討。

1 工程背景

1.1 場地工程地質(zhì)條件

“盛世豪園(二期)”工程位于上海市楊浦區(qū)新江灣城內(nèi)，西面緊靠閘殷路，東北面與民慶路相鄰，東側(cè)與盛世豪園一期小區(qū)為伴。本工程擬建建(構(gòu))筑物由10幢19層住宅樓、1層沿街商店、1個地下車庫及輔助配套設(shè)施組成。其中10幢住宅樓，1層沿街商店及輔助配套設(shè)施均位于地下車庫范圍之上，其中住宅樓基礎(chǔ)埋深約9.15 m，商業(yè)街和地下車庫埋深約8.95 m。根據(jù)巖土工程勘察報告顯示，擬建場地地層主要由黏性土及粉性土組成，場地內(nèi)及周邊無滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象存在。基坑±0.000相當(dāng)于絕對標(biāo)高+5.300，自然地面絕對標(biāo)高為+4.800。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)概況

該工程基坑開挖面積約為44 885 m2，住宅樓基坑開挖深度為9.15 m，商業(yè)街和地下車庫基坑開挖深度為8.95 m。局部電梯井、集水井落深開挖達(dá)11.55 m。

圍護(hù)形式采用SMW工法樁+拉錨的圍護(hù)形式。SMW工法墻設(shè)計根據(jù)基坑開挖深度計算確定，主要采用了3φ 850@1 200的水泥攪拌樁內(nèi)插H500×200×10×16@1 200的型鋼的結(jié)構(gòu)形式，攪拌樁及型鋼的長度分別為20.4 m和16 m。采用了加筋水泥土錨樁作為水平向支撐體系，具體設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 錨樁設(shè)計

2 有限元分析模型及主要施工工況

2.1 分析模型的建立

本文采用M IDAS/GTS有限元分析軟件建模進(jìn)行了基坑變形分析，分析模型的相關(guān)幾何參數(shù)及材料參數(shù)按照實際工程設(shè)計來確定。標(biāo)準(zhǔn)分析模型中基坑平面尺寸即為基坑設(shè)計尺寸，約為325 m×148 m。為簡化分析，考慮基坑開挖深度為統(tǒng)一標(biāo)高，考慮到實際工程中局部深坑雖深度較深，但占基坑總面積的百分比較小，故開挖深度參考住宅樓地下室的埋深取為9.5 m。本章將基坑邊緣到邊界的距離取為50 m，約為最大開挖深度的5倍;模型的深度方向取41 m，以盡量減小模型邊界條件對基坑變形的影響。具體三維有限元基坑開挖模型如圖1所示。

2.2 模型工況的確定

在基坑有限元分析中考慮基坑的分塊開挖將使模型的計算結(jié)果更有參考價值，且基坑有限元分析的這一特點在大面積的基坑工程中更為明顯。由于本文的模型計算引入了基坑分塊開挖的施工特性，因此模型的分析工況的定義成為了分析計算的重點。文中基坑分塊方式詳見圖2。

具體的開挖過程主要包括如下9個工況:

1)初始狀態(tài)，位移清零;2)施工圍護(hù)墻體，施加坑邊荷載;3)開挖第一層土，施工第一道拉錨;4)開挖第二層土，施工第二道拉錨;5)開挖A1，A2區(qū)第三層土并施工區(qū)域內(nèi)第三道拉錨，同時開挖A3區(qū)第三層土體至-5 m;6)開挖A1區(qū)第四層土至坑底并施工A1區(qū)底板，同時開挖A2區(qū)第四層土體至-7.8 m;7)開挖A3區(qū)第三層土體至-6.6 m，施工A3區(qū)第三道拉錨;8)開挖A2區(qū)第四層土體至坑底并施工A2區(qū)底板，同時開挖A3區(qū)第四層土至-7.8 m;9)開挖A3第四層土至坑底并施工A3區(qū)底板。

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)墻側(cè)向變形分析

為了更好的了解三維有限元標(biāo)準(zhǔn)模型在開挖過程中圍護(hù)墻變形情況，對基坑模型開挖后各工況的地墻最大水平位移值進(jìn)行了統(tǒng)計，繪成圖表，如圖3所示。根據(jù)基坑三維變形的空間效應(yīng)，我們可以知道基坑圍護(hù)墻體的變形在靠近墻底中心處較大，靠近基坑角部處位移較小。故墻體各工況的位移是基坑長邊和短邊靠近中心軸處的位移計算結(jié)果。

根據(jù)圖3計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)模型長邊和短邊的中點當(dāng)基坑開挖到底時的變形都基本達(dá)到了最大值，長邊中點的最大水平位移為38.90 mm，短邊中點的最大水平位移為38.88 mm。根據(jù)圖3的區(qū)域劃分，圖3a)，圖3b)的位置分別處在A1區(qū)和A2區(qū)，因此由于基坑的分塊開挖使兩處墻體側(cè)移曲線產(chǎn)生了一定的差異。圖3a)中墻體由于處于A1區(qū)，工況6時該區(qū)域內(nèi)已經(jīng)開挖到底并施工完底板，其后工況A1區(qū)的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有發(fā)生變化，從墻體側(cè)移曲線可以看出工況7～工況9時，墻體側(cè)移的變化量很小。而圖3b)由于處于A2區(qū)內(nèi)，在工況8時才完成支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，故最后兩個工況仍產(chǎn)生了一定的位移增量，約為4 mm，占側(cè)移最大值的10.5%。

3.2 有限元分析結(jié)果與實測值比較

將模型計算結(jié)果與工程實測進(jìn)行了比較(見表2)，文中采用的實側(cè)結(jié)果是靠近計算所得最大墻體位移處測點開挖到底時的墻體側(cè)向位移最大值。

表2 理論分析結(jié)果與實測結(jié)果比較 mm

由表2可以看出，三維有限元計算的結(jié)果與實測的結(jié)果相差不大，最大絕對值差8 mm，占位移總量 17%，能夠較好地預(yù)測基坑工程在各施工工況下的基坑變形。

3.3 誤差分析

從上面的實測位移量和有限元分析曲線圖結(jié)果來看，它們之間還是存在著一定的差異。分析原因，大致可以歸納為以下幾點:

1)進(jìn)行有限元模擬的時候，對模型進(jìn)行一些簡化，有時候與實際相差較大，這或多或少影響了計算精度;

2)有限元求解的時候，由于各個項目的差異，我們定義各種參數(shù)，例如土體相關(guān)參數(shù)，彈性模量，土的本構(gòu)模型等等，它們和實際是有一定差異的，這會影響理論公式的計算精度;

3)有限元模擬沒有考慮地面施工荷載及地下水位的變化影響。但是，在有些地區(qū)滲流對基坑開挖卸荷過程的影響較大。在地下水位高時，基坑開挖將伴隨著開挖卸載、坑內(nèi)外水頭差的變化、超靜孔隙水壓力消散的耦合過程;

4)有限元模擬沒有考慮位移的時間效應(yīng)。基坑開挖是分步進(jìn)行的，支撐也是分步置入的，兩者均與施工工況和施工時間有關(guān)。準(zhǔn)確地說，土體應(yīng)當(dāng)屬于粘彈塑性材料，其本身也受時間因素的影響。

4 結(jié)語

1)考慮基坑的分塊開挖以后，三維標(biāo)準(zhǔn)有限元計算模型計算所得的變形結(jié)果，基本能夠較好的模擬實際基坑工程變形，但考慮施工中的諸多不確定性因素，在今后的工程中應(yīng)該注意設(shè)計上安全系數(shù)的取值。

2)分析誤差是不可避免的，這已是大家公認(rèn)的事實。只要誤差控制在一定的范圍內(nèi)，能夠達(dá)到我們的預(yù)期目標(biāo)就可以了。至于減小誤差，這是一種經(jīng)驗的積累，隨著資歷的加深，對分析所采用的各種手段(采用什么樣的網(wǎng)格、材料模型、各種參數(shù)控制等等)理解的更加透徹，計算精度一定會更加的精確。

[1] 林 鳴，徐 偉.深基坑觀測信息化施工技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[2] 劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[3] 陳忠漢，程麗萍.深基坑工程[M].北京:機械工業(yè)出版社，1999.

[4] 沈愛國.深基坑施工風(fēng)險評估模型設(shè)計[J].山西建筑，2008，34(24):148-149.

[5] 龔曉南.深基坑工程設(shè)計施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998.