某深大基坑頂邊水平位移數值模擬研究

孫 瑤

（長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢430074）

某深大基坑頂邊水平位移數值模擬研究

孫 瑤*

（長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢430074）

采用MIDAS/GTS軟件，對某一深大基坑頂邊土體的水平位移進行了模擬研究。模擬結果顯示，基坑開挖施工過程中，坑邊土體的最大位移發生在東西兩側坑邊中部，分別為12.1mm和11.5mm，而在南北兩側坑邊的水平位移卻相對較小。通過與現場實測數據對比，表明應用MIDAS/ GTS軟件并根據前期工程勘察報告合理選取參數，不僅能夠有效評價基坑的穩定性，還能預先了解基坑施工過程中坑外土體可能發生最大位移的位置，有利于提前設置安全防護措施并嚴密管理施工作業，保障施工人員和設備的安全。

基坑；坑邊土體；水平位移；數值模擬；現場監測

1 概述

隨著我國社會經濟和人口數量不斷增長，高層與超高層建筑越來越多，相應的基坑開挖工程也日益增多。在基坑開挖施工過程中，為了保證基坑與臨近建筑安全，除了采取必要的降水與支護工程措施外，還需要在基坑開挖過程中對相應的區域進行實時監測。其中，基坑水平位移監測能夠直接反映基坑邊坡的穩定性，是指導基坑開挖的重要依據之一。因此，實時、準確地監測基坑水平位移的變化，對保證基坑開挖的施工安全具有重要意義[1-5]。此外，隨著數值模擬技術廣泛應用于巖土工程領域，有限單元法（以下簡稱有限元）以其很強的適用性、易掌握性以及便于計算機編程等優點得到了廣泛的應用和發展。在運用有限元方法解決巖土工程技術問題時常用的方法有2種：總應力有限元法和有效應力有限元法。有限元法將問題用矩陣形式表達出來，便于編寫相應的計算機程序，并且能夠充分利用計算機高速、便捷、精確的優勢[6-7]。因此，本文采用MIDAS/GTS軟件對某地一個深大基坑頂邊土體水平位移進行模擬研究，為該基坑支護結構應用效果評價提供技術支持。

2 工程概況

該基坑工程東西兩面有建筑物，南北面為市政路，開挖平面呈矩形，周長約535m，開挖深度為10m，支護形式有“放坡+鉆孔樁+攪拌樁+錨索”、“鉆孔樁+旋噴樁+內支撐”和“放坡+鉆孔樁+攪拌樁+內支撐”3種形式。根據前期工程勘察報告，勘探深度范圍內的地層由上至下可劃分為4個單元層，分別為填土層（平均厚度2.63m）、沖積土層（平均厚度31.09m）、殘積土層（平均厚度7.63m）和基巖。基坑現場共布設23個坑邊土體水平位移監測點，如圖1所示。

圖1 基坑坑邊土體水平位移監測點布置示意圖

3MIDAS/GTS模擬分析

3.1 模型介紹

本模型是以該基坑實際情況為基礎并對其優化后所建立的三維基坑開挖模型。模型結構措施眾多，有內支撐、圍護樁、雙排樁、冠梁、腰梁、立柱、預應力錨索等，且由于基坑跨度比較大（該基坑最長跨度163m，最寬跨度112m，呈一刀形），所以在模擬計算單元的劃分上采取了非致密網格劃分法，以避免最終因網格數太多而無法計算。在文獻調研基礎上，結合工程實際對結構措施進行了一定的簡化。首先，通過剛度折減法將圍護樁和雙排樁等效為相應的地下連續墻；其次，對結構措施的參數進行了相應的調整以方便后續模擬計算。

根據MIDAS/GTS軟件的變量設置要求對基坑參數做了如下優化：

（1）對基坑邊線進行了規則化，使基坑平面圖幾何規則，但與實際情況相差不大。

（2）對基坑內的土層參數和分層進行了優化。首先，確定坑內各土層的平均厚度，并將與最上層填土層性質相差不大的稍薄粉質粘土層與填土層合并為第一層土層，將較厚的淤泥質土設為第二層土層直到坑底，將全風化巖設為坑底以下的第三層土。

（3）對于混凝土沖孔樁和雙排混凝土攪拌樁，建模時均采用剛度折減法將其等效為地下連續墻，采用板單元進行模擬。

（4）對于立柱，因實際中采用角鋼組，鑒于支撐的參數和角鋼組捆綁后的性質，將立柱等效為同徑圓柱形立柱。

所得到的源模型三維網格和結構措施如圖2和圖3所示。

圖2 基坑源模型三維網格

圖3 基坑開挖完成圖（所有結構措施已添加）

3.2 模型構成要素參數選取

模型中的土體單元視為摩爾—庫倫彈塑性材料，支撐、冠梁、腰梁等因為都是混凝土結構，采用梁單元，視為各向同性的線彈性材料，等效的地下連續墻采用板單元。模型中共有3層土體，由上到下分別是填土、淤泥質土和強風化的粉砂巖。梁單元均是采用C30混凝土。模型計算具體參數設置如表1和表2所示。

針對基坑的抗拉預應力錨索，由于其含有自由段且存在預應力，具有明顯的非線性效應，因此，自由段是不與土體耦合的。結合實際情況，采用一維桁架單元模擬預應力錨索，使用GTS提供的錨建模助手來進行預應力錨索的建立，在錨索的自由度與錨固段添加預應力，同時在連接錨索的冠梁和腰梁上施加相應的均布荷載來平衡，均布荷載換算成力要和預應力大小相同，但方向相反。經過計算，將預應力錨桿彈性模量設置為2×105MPa，等效桁架截面積設置為1.374×10-4m2，長度均取46m。

3.3 模擬結果與分析

通過MIDAS/GTS軟件分別模擬計算了該深大基坑在南北方向和東西方向上的坑邊土體水平位移情況，并對兩個方向耦合作用下坑邊土體水平位移最危險位置進行了數值分析。

由于基坑西邊不規則轉折處和東部坑邊水平位移較大，加之其他部位施工過程中的震動傳遞，易導致土體剝落，影響施工安全。因此，在基坑施工過程中，應嚴密監測轉折處和東部坑邊的土體表觀形態變化，并在基坑內部采取合理的防護措施，以避免土體滑塌而引起安全事故。

表1 土層物理力學參數

表2 結構材料參數

表3 基坑邊緣最大水平位移實測值

4 實測驗證

在現場布設的23個坑邊土體水平位移監測點中，由于安裝、施工等原因，CX13、CX15和CX16監測點沒有獲取正常數據，故只獲得了其他20個監測點的監測數據。坑邊土體水平位移實測結果如表3所示，其中，正號表示水平位移方向指向基坑內部，負號表示水平位移方向指向基坑外部。

由表3可見，現場實測數據與數值模擬結果具有較好的吻合，表明采用MIDAS/GTS軟件對該基坑進行的三維建模和參數選取是比較合理的，同時也表明基坑整體支護結構發揮了很好的安全防護作用，對于今后類似地質條件下的其他基坑工程的相關數值模擬研究具有較好的參考意義，有利于保證基坑施工安全和降低事故率。

5 結論與建議

采用MIDAS/GTS軟件對該深大基坑坑邊土體的水平位移模擬計算結果顯示，基坑開挖施工過程中，沿基坑長邊走向的方向上，坑邊土體的最大位移發生在東西兩側坑邊中部，分別為12.1mm和11.5mm，在施工中應對東西兩側坑邊予以格外重視，而在南北兩側坑邊的水平位移卻相對較小，模擬計算結果與現場監測數據較好吻合。由此可見，根據前期工程勘察報告合理優化基坑各組成部分的參數設置，通過MIDAS/ GTS軟件能夠較為準確地預先評價基坑邊緣土體的水平位移情況，進而對基坑支護措施作出相應的評價，有利于優化基坑開挖方案和支護措施，保證基坑施工安全，降低事故發生率，節省工期和成本。在今后的基坑工程中，尤其是深大基坑的施工，結合現有數值模擬技術，需深入研究基坑各構成要素的參數優化，從而使數值分析結果更接近實際、更可靠。

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U231.4

A

1004-5716(2015)10-0176-04

2015-04-08

2015-05-04

孫瑤（1982-），男（漢族），河南周口人，工程師，現從事巖土工程勘察與工藝技術工作。