基于MIDAS深基坑樁錨支護數(shù)值模擬分析

李明瑛，曾 朋

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

目前，我國面臨著人口問題，環(huán)境問題等制約人類發(fā)展的重大問題，而土地資源是影響人口問題最重要的一個因素，由于土地資源的有限性，我國城市建設不斷邁向高層、超高層建筑，深基坑工程也就越來越多，在當前的基坑工程中，由于各場地地形條件、工程地質條件、施工技術等各類因素的影響，支護結構型式多種多樣，既有典型的單一支護結構，也有較復雜的多種支護結構的組合[1]。在這些支護結構中，樁錨（擋土排樁加預應力錨桿）支護以適應深基坑的發(fā)展近年來在廣東地區(qū)被普遍采用。樁錨支護形式對于開挖深度超過8～9m的基坑，無論是從經濟還是從安全可靠性上考慮，均是一種較好的支護體系。本文通過有限元軟件MIDAS對某市某地塊項目進行數(shù)值模擬分析，在后處理中提取支護結構變形值與實測值進行對比，分析其可行性，并且來探討基坑開挖及地下室施工過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，為變形控制設計與工程監(jiān)測提供依據(jù)。

1 軟件簡介

MIDAS／GTS（Geotechnical and Tunnel Analysis System）軟件是將通用的有限元分析內核與土木結構的專業(yè)性要求有機結合而開發(fā)的巖土與隧道結構有限元分析軟件，能夠提供完全的三維動態(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，大壩施工過程模擬，三維邊坡穩(wěn)定性分析，地震、爆破以及動力荷載分析等各種巖土工程問題。同時具備便捷的定義多個施工階段（本工程定義了5個施工階段進行模擬），進行不同施工階段不同圍巖類別支護結構的內力分析，驗證結構安全系數(shù)是否滿足相應設計規(guī)范標準，定量表征隧道施工對周邊的影響，同時通過模擬驗算分析，提出更為合理的施工方法及支護參數(shù)，指導現(xiàn)場的設計施工。MIDAS／GTS提供的土體本構模型多達16種，包括常用的Mohr－Coulomb模型，并可用戶自定義本構模型，本工程土體采用Mohr－Coulomb模型，支護結構采用線彈性模型。

2 工程概況

此地塊項目位于某市一地區(qū)，擬建工程為6棟41層高層住宅，1棟3層商業(yè)樓，設三層地下室，地下室基坑開挖深度約14.4m，基坑開挖面積約2.5萬m2，基坑周長約677m。基坑支護型式為旋挖灌注樁加預應力錨索，東南角設混凝土角支撐，外圍設攪拌樁止水。基坑開挖范圍內無高層建筑、地鐵及地下管線影響。

3 場地的地質條件

根據(jù)某有色工程勘察設計院提供的地質資料，可知土層分布情況：（1）人工填土層，厚度1.70～5.00 m；（2）淤泥質粉砂層，厚度0.40～4.70m；（3）淤泥質土層，厚度0.40～5.30m；（4）粉質黏土層，厚度0.40～8.00m；（5）粉細砂層，厚度0.40～3.20m；（6）中粗砂層，厚度0.50～2.00m；（7）殘積粉質黏土，厚度0.60～7.60m；（8）強風化巖，厚度0.30～20.70m。通過有限元軟件MIDAS建模所需的各土層的物理力學參數(shù)指標同樣可從有色院提供的地質資料中可得，具體參數(shù)指標值見表1。

表1 各土（巖）層主要物理力學參數(shù)指標值

4 有限元計算模型

根據(jù)相關部門提供的資料，綜合考慮工程情況，采用大型有限元軟件MIDAS，對本工程進行模擬分析。支護結構型式如圖1所示。設計4排錨索，傾角從上至下保持一致，由于基坑形狀是長條形而不是方形的，空間效應不是很明顯[2]，因此不考慮基坑的空間效應，將其作為平面應變問題進行穩(wěn)定性分析是合理的。整個模擬過程采用彈塑性大變形理論，破壞準則為摩爾—庫倫準則。

圖2為計算整體模型，根據(jù)工程經驗，模型計算范圍取基底以下2倍的基坑開挖深度，影響寬度取開挖深度的2～3倍。但本工程屬于大面積基坑，此時，基坑影響范圍應取1倍以上的長邊長度。因此計算區(qū)域側邊界離基坑邊緣取145m，大于0.5倍長邊范圍，這樣計算區(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)初步選取見表1，采用高階次線性三角形單元進行網(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力，為了與實際工程更加符合，在樁與土體間應設置接觸面單元[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力的傳遞，且設置簡單，方便計算。

5 模擬結果與分析

本工程設計統(tǒng)一4層錨桿，按照實際施工工序，分5步模擬基坑的施工過程。MIDAS通過刪減土體單元和增加結構支護單元（錨桿單元）來模擬開挖和支護[4]。

5.1 基坑的豎向變形

由于基坑邊剛度較大[5]，支護結構對土體的位移起到了一定的控制作用，同時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)生位于距開挖面一定距離處。基坑底部由于開挖的卸載作用而隆起變形，由第一步開挖可以看出模擬值與實際監(jiān)測值相差不大，符合實際。同時根據(jù)模型計算結果分析可知第一步、第二步

圖1 支護結構示意圖

5.2 支護樁水平位移分析

為保證基坑安全，對基坑樁頂水平位移進行監(jiān)測，在基坑的6個邊界上共設置45個監(jiān)測點，本文將其中4個主要點的樁頂變形模擬值和實測值進行比較，圖中的A、B、C、D四點分別是基坑北側、基坑西側、基坑南側、基坑東側監(jiān)測點的位置（見圖3—6），經過比較分析，B、C、D點位移模擬值與實測值變化范圍相差不大，符合工程實際，A點位移實測值在第開挖中隆起量較大，第一步開挖后坑底隆起變形量達到0.025m，第二步開挖坑底隆起變形量增至0.066 m，之后幾步開挖坑底隆起變形無多大變化，但隨著下挖至巖石層，隆起量回落，最后一步開挖后隆起變形量為0.006m。一步開挖（4月6號）時水平位移為0.005 6m，之后一段時間位移有所回彈，之后累計位移量下降到0.001 2m，往后回升。因為該段施工期間，東北角材料搬遷，大量卸載，以及支護加撐等影響因素存在導致基坑樁頂位移回彈。從圖3可以看出模擬值與實測值有一定的出入，故恰能反映工程實際。基坑第一次開挖后以及最后一步開挖后各監(jiān)測點的水平位移模擬值分別見圖7—8。

圖2 三維有限元模型

圖3 A點位移

圖4 B點位移

圖5 C點位移

圖6 D點位移

5.3 錨桿錨固力分析

圖9是基坑最后一步開挖后錨桿的應力分布情況，基坑開挖后，主動土壓力增大[6]，通過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；當錨桿預應力較小時，增大預應力對控制錨端水平位移效果顯著，但預應力增大到某一水平，再增加預應力，由于土體本身的粒狀流動性，便很難再取得同樣效果[7]。本工程中基坑最后一步開挖后，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，而進入錨固段后由于砂漿的傳力作用，逐漸將錨桿軸力分擔給錨孔周圍土體承擔，因此，錨桿軸力逐漸減小。同時隨著錨桿水平間距的增加，錨桿最大拉力也相應增加，但從控制基坑土體變形和防止產生群錨效應考慮，錨桿水平間距取1.5 m左右為宜。

圖7 第一步開挖后X方向的水平位移（m）

圖8 最后一步開挖后X方向的水平位移（m）

圖9 最后一步開挖后錨桿的應力云圖（KN／m2）

6 結語

（1）本文針對某地塊基坑工程，應用 Midas有限元軟件進行三維有限元模擬分析，本文將樁錨支護結構按照剛度等效為混凝土墻，采用總應力法，得出變形結果與實際監(jiān)測值相差不大，可以反映實際，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，應對該位置處的建（構）筑物及地下管線采取必要的保護措施，同時應在該位置處布置控制點，進行實時監(jiān)測，及時反饋信息。

（3）樁身的最大水平位移在頂端，基坑邊緣的中點，特別是長邊的中點附近，在所有支護結構中，第一排錨桿的性能好壞直接影響著位移的變化，需加強錨桿的性能。

（4）錨桿軸力在自由段均勻分布，在錨固段逐漸減小；對于本工程，錨固段長度過長，造成了經濟上的浪費，這與現(xiàn)場試驗中錨桿變形測量的出的結論一致，再次證明了數(shù)值方法分析基坑工程是切實可行的。增加錨桿預應力可減小錨端水平位移量，進而減小基坑水平位移，但隨著預應力增大程度的增加減小作用有所減弱。

[1]陳忠漢.深基坑工程[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]姜晨光，林新賢，黃家興，等.深基坑樁錨支護結構變形監(jiān)測與初步分析[J].巖土工程界，2002，5（8）：55－56.

[3]張程林，彭炎華.深基坑樁錨支護數(shù)值模擬及參數(shù)分析[J].施工技術，2008，37（s1）：321－324.

[4]張勇，賴惠成.基于 Midas技術的多層分布式應用程序開發(fā)[J].新疆大學學報，2003，20（2）：139－141.

[5]吳彰森，胡耀平.基坑支護工程監(jiān)測技術研究[J].工程技術，2009，10（9）：43－46.

[6]熊建華.采動巷道巖體變形與錨桿錨固力變化規(guī)律[J].工程技術，2009，28（6）：330－332.

[7]劉亞飛，武崇福.深基坑單支點樁錨支護現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬研究[D].北京：燕山大學，2010.