無水平支撐深基坑數值模擬分析

喻振賢，陳玉禾

（1.中國十五冶金建設有限公司，黃石 435000；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070）

1 工程概況

WEGAGEN銀行大樓位于埃塞首都亞的斯亞貝巴市中心，是一棟集辦公、購物、餐飲為一體的高層建筑，工程用地面積2 263m2，建筑物占地面積1 900m2。基坑開挖面積約2 265m2，周長約192m，基坑開挖深度為13.07～13.67m。場地周邊最大建筑物為12層住宅樓，基礎與基坑距離較近。基礎支護型式為人工挖孔灌注樁加預應力錨桿，共計134根。

2 埃塞俄比亞銀行大樓深基坑開挖支護三維數值模擬

利用大型有限元軟件MIDAS，考慮基坑的空間效應，對該工程進行3D建模分析，土體的計算范圍在深度方向去基底以下2倍的開挖深度，寬度取開挖深度的2～3倍。對于土體的整個模擬過程采用彈塑大變形理論，破壞準則為摩爾－庫侖準則。模型的具體計算范圍為：東西×南北×上下＝90m×110m×30m。模型的坐標系采用直角坐標系，z軸為鉛直方向，東西向為x軸，南北向為y軸。具體的計算網格模型見圖1。而對于深基坑支護結構，首先將支護樁、冠梁、錨桿利用線單元進行代替，經過交叉分割，分別按照能使模型耦合的要求進行線映射網格，并賦予特性屬性。將賦予屬性的網格進行移動和復制，模擬出冠梁，圍囹，支柱樁和錨桿模型中樁與土的模量相差很大，在兩者界面上常伴隨較大的剪應力，在樁與土之間應設置接觸面單元［1－3］。圍護結構的模型見圖2。

3 模擬結果與分析

該工程在基坑邊坡有較高荷載處設置8層錨桿，其余部位均為4層錨桿，按照實際施工工序以及運用合理的簡化，將施工階段分為6個施工工序，通過對土體單元以及結構支護單元進行添加或刪減來模擬開挖和支護，并選取關鍵監測點處實際監測數值與數值模擬數值結果進行比較。具體開挖深度見表1，實際監測值見表2，表3。

表1 各施工工序對應的開挖深度

表2 實測監測點側向位移

表3 數值模擬測點側向位移

3.1 基坑開挖完成后側向變形

通過對深基坑開挖的整體研究，了解基坑工程一個總體變化狀況，對開挖完成后的深基坑進行數值模擬，側向變形如圖3，圖4所示。

圖3和圖4合起來體現出了在數值模擬分析中，深基坑工程邊坡位移以及深層土體的側向位移規律。經過分析得出以下結論：1）在基坑表面，基坑的邊坡位移量沿著邊坡線有所變化，總體趨于一個穩定值；2）坑壁頂部的側向位移大于坑壁底部，邊坡位移在側向位移中并不是最大，最大位移量出現在頂部以下的4～9m位置，而靠近基底的位移會逐漸減小。

對表2、表3以及圖5、圖6進行分析，通過將實際工程與有限元模型分析對比可以得出以下結論：

1）實際監測數據側向位移平均值為10.31mm，數值模擬分析側向位移平均值為17mm，雖有所差距，但是符合實際需求。

2）實際工程監測點測量數值與數值模擬分析數據有所差別，這可能與監測誤差以及建模分析時模型簡化有關。但是實際的總體趨勢大致相同，都是隨著施工的進行而逐步增大位移，在這方面兩種方法具有非常高的吻合度。

3.2 基坑開挖完成后豎向變形

基坑豎向變形模擬如圖7所示。

圖7為整個基坑在z方向的位移，即基坑土體的沉降量圖。從圖7中得出以下結論：1）基坑開挖引起的沉降影響寬度為6.5m左右，并且基坑邊坡的沉降量的最大值并不會出現在邊緣線上，而是在離基坑距離1.3～3m處取得最大值；2）在基坑坑壁頂面，支護樁附近的土體基本沒有沉降，這說明在基坑工程中，圍護結構能夠限制基坑外土體的沉降量隨著到基坑側壁距離的增大而逐漸增大，且中部沉降量大于基坑邊角處的沉降量。

對表4、表5及圖8、圖9進行分析，可以從實際監測數據與有限元模擬結果對比后得出以下結論：

表4 實測監測點坡頂沉降

表5 數值模擬測點坡頂沉降

1）實際監測測點的沉降平均值為27.24mm，數值模擬分析值沉降值為45.98mm，這兩者之間的差距可能是由于實際的監測誤差或模型簡化所產生的差距。

2）實際監測數據沉降量與有限元軟件分析結果相比數據較為分散，但是在開挖過程中隨各個施工工序的進行監測值逐步增長，并且增長的比例大致相同。說明基坑的沉降與基坑的開挖深度成比例上升。

4 結 語

通過用Midas模擬基坑的應力和位移隨施工工況的變化，更全面和真實地反映了基坑位移和錨桿受力的真實情況。通過對埃塞俄比亞銀行進行逐層開挖整體模擬后，可以看到基坑的邊坡位移以及邊坡沉降在開挖深度的0.3%～0.5%之內，基坑的變形處于安全范圍之內。說明此無水平支撐的樁錨支護結構設計方案可行。

［1］ 李明瑛，曾 朋.基于MIDAS深基坑樁錨支護數值模擬分析［J］.水土保持研究，2012，19（1）：250－253.

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［4］ 曾 榕.基于FLAC3D的基坑支護開挖過程數值模擬［J］.山西建筑，2008，34：116－117.

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