試論邁達(dá)斯GTS軟件在深基坑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了邁達(dá)斯GTS軟件在基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該軟件在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中使用的可行性與可靠性。

關(guān)鍵詞：基坑開(kāi)挖；有限元；邁達(dá)斯軟件

基坑工程是一個(gè)古老而又具有時(shí)代特點(diǎn)的巖土工程課題。進(jìn)入20世紀(jì)以來(lái)，隨著大量高層、超高層建筑以及地下工程的不斷涌現(xiàn)，對(duì)基坑工程的要求越來(lái)越高，隨之出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多，迫使工程技術(shù)人員必須從新的角度去審視基坑工程這一古老課題，導(dǎo)致許多新的經(jīng)驗(yàn)、理論或研究方法。有限元法是一種有效的數(shù)值分析方法，在巖土工程學(xué)科中有著很大的發(fā)展前景。它可以解決非線性問(wèn)題，易于處理非均質(zhì)材料，各項(xiàng)異性材料，能適應(yīng)各種復(fù)雜的邊界條件，還可考慮基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)中的空間效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。基坑的分步開(kāi)挖是普遍的施工方法[1-2]。

一 工程概況

擬建工程位于天津市河西區(qū)小白樓附近，東起南京路，西至南昌路，南鄰合肥道，北至馬到場(chǎng)。建筑物分主塔樓和副塔樓及群房三部分。其中主塔樓地面以上60層，高218米，地面以下3層，基礎(chǔ)埋深15.3米。粉砂-26.0～-30.5粉質(zhì)粘土-30.5～-37.0。

二 支護(hù)方案

該工程采用地下連續(xù)墻與鋼支撐的支護(hù)方法，分三個(gè)階段進(jìn)行開(kāi)挖，第一階段開(kāi)挖深度為7.6米，并在2.3米深度設(shè)置支撐；第二階段開(kāi)挖到14.1米，并在7.6米深度設(shè)置第二道支撐；第三階段開(kāi)挖到指定深度15.6米，并在14.1米深度設(shè)置第三道支撐。

三 模擬結(jié)果分析

（1）分步開(kāi)挖過(guò)程模擬

在MIDAS/GTS中，通過(guò)荷載步、鈍化和激活單元來(lái)實(shí)現(xiàn)基坑的開(kāi)挖與支護(hù)。首先建立原始地層模型，施加位移約束邊界條件，在初始地應(yīng)力條件下進(jìn)行迭代計(jì)算使計(jì)算模型達(dá)到初始應(yīng)力平衡，并使初始位移歸零，模擬基坑開(kāi)挖前土體的固結(jié)沉降。然后按照深基坑施工的順序鈍化開(kāi)挖部分土體，激活上一步開(kāi)挖土體部分的支撐單元和單元預(yù)應(yīng)力，再鈍化下一步開(kāi)挖部分土體，如此繼續(xù)，直至結(jié)束。

（2）結(jié)果分析

基坑開(kāi)挖過(guò)程是基坑開(kāi)挖面上卸荷的過(guò)程，因?yàn)樾逗啥鸹拥撞客馏w出現(xiàn)以向上為主的位移，同時(shí)也引起圍護(hù)墻體在兩側(cè)土壓力差的作用下而產(chǎn)生的墻外側(cè)位移。通過(guò)對(duì)以上的計(jì)算結(jié)果分析可以得出基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的變化過(guò)程。因?yàn)榛娱_(kāi)挖產(chǎn)生的垂直卸荷作用改變了基底土體原始應(yīng)力狀態(tài)，基坑底部土體在卸荷后會(huì)出現(xiàn)垂直彈性隆起。基坑周圍土體會(huì)向下移動(dòng)，以補(bǔ)充由于坑底隆起而損失的土體，進(jìn)而引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移發(fā)生變化。本文通過(guò)MIDAS/GTS軟件模擬得到了基坑開(kāi)挖結(jié)束后結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力矢量圖，由地下連續(xù)墻位移可知，當(dāng)開(kāi)挖至15.6米時(shí)，地下連續(xù)墻最大水平位移為61.3mm；而實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果為67.8mm。本程序的模擬計(jì)算未考慮墻體加肋情況，而在實(shí)際情況中，墻體均進(jìn)行加肋處理，較之，計(jì)算結(jié)果偏小，因此，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

基坑開(kāi)挖后，地下連續(xù)墻中下部的彎矩最大，主要是由基坑開(kāi)挖和鋼內(nèi)撐作用力對(duì)支護(hù)樁的彎矩產(chǎn)生的強(qiáng)烈影響。在鋼內(nèi)撐作用下支護(hù)樁出現(xiàn)反彎矩，這樣從而避免了某處彎矩過(guò)大，應(yīng)力集中的現(xiàn)象。四 計(jì)結(jié)果與模擬結(jié)果分析比較

該計(jì)算基坑工程呈橢圓形，開(kāi)挖面積較大，開(kāi)挖周期長(zhǎng)，而且施工過(guò)程以及地下水問(wèn)題非常復(fù)雜。這些都給模擬工作帶來(lái)了很大困難。在模擬過(guò)程中消防通道開(kāi)挖階段模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確，但隨著進(jìn)一步的開(kāi)挖模擬結(jié)果產(chǎn)生了一定的誤差，經(jīng)分析主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題[3-4]。1）地下水問(wèn)題。雖然在基坑工程中，地下水主要影響其穩(wěn)定性，但也對(duì)其變形規(guī)律有一定影響因?yàn)橛绊憴C(jī)理和計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，本次初步模擬中尚沒(méi)有考慮地下水的影響。2）基坑開(kāi)挖的模擬。具體的施工步驟和順序復(fù)雜，在數(shù)值分析過(guò)程中難以達(dá)到完全準(zhǔn)確的模擬這也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果造成一定的影響。3）基坑開(kāi)挖周期長(zhǎng)，基坑長(zhǎng)期暴露，受到其它方面的影響諸多，不能考慮其可能造成的影響。4）此外，實(shí)際地層的模擬、土的本構(gòu)模型自身的限制以及三維到二維的平面應(yīng)變簡(jiǎn)化等其它方面的影響。這些還需要在以后的工作中進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

通過(guò)本文對(duì)該基坑工程的分析結(jié)果表明，由于基坑工程自身的復(fù)雜性（復(fù)雜的土的應(yīng)力路徑、開(kāi)挖過(guò)程、三維時(shí)空效應(yīng)、地下水的因素等等），很多因素都是難以在計(jì)算中完全考慮的，因此計(jì)算結(jié)果不可能完全符合。但總體上看，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合，因此數(shù)值分析工具可以作為工程設(shè)計(jì)的輔助手段，結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)輔助依據(jù)。深基坑開(kāi)挖與支護(hù)工程是一個(gè)非常復(fù)雜的研究課題，但迄今為止，關(guān)于深基坑開(kāi)挖與支護(hù)的分析研究遠(yuǎn)未達(dá)到完善的水平，本文所做的工作也只是其在數(shù)值模擬方面進(jìn)行了一些初步探討，還有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步探索解決。

五 結(jié)論

可以看出邁達(dá)斯MIDAS/GTS軟件在實(shí)際工程中的應(yīng)用是較可行的，能夠在施工前預(yù)知工程施工過(guò)程中以及施工結(jié)束后支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移情況，對(duì)實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。通過(guò)以上多方面的比較分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）基坑開(kāi)挖維護(hù)結(jié)構(gòu)采用MIDAS/GTS有限元軟件進(jìn)行變形及內(nèi)力的預(yù)測(cè)方法在深基坑的施工應(yīng)用中是比較準(zhǔn)確可行。（2）對(duì)實(shí)際的施工過(guò)程予以模擬，可以推算出施工過(guò)程中所產(chǎn)生的預(yù)計(jì)不到的較大的位移和彎矩；（3）地下連續(xù)墻的彎矩主要受基坑開(kāi)挖和鋼內(nèi)撐作用的影響。

參考文獻(xiàn)

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