基坑開挖數值模擬
——以楊泗港長江大橋漢陽側錨碇為例

孫賢斌， 胡帥軍， 石峻峰

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

基坑開挖數值模擬
——以楊泗港長江大橋漢陽側錨碇為例

孫賢斌， 胡帥軍， 石峻峰

(湖北工業大學土木建筑與環境學院， 湖北 武漢 430068)

針對楊泗港長江大橋漢陽錨碇基坑開挖各階段的施工過程，基于Midas GTS NX三維有限元分析軟件，建立基坑開挖三維有限元仿真計算模型。通過Midas軟件計算此基坑各開挖階段的周圍土體以及地下連續墻的數值，分析各開挖部位的受力特點和變形特征，得出基坑開挖過程中的最不利位置，為施工方在基坑開挖過程中采取相應措施提供參考。

基坑開挖； 數值模擬； 土體沉降

1 工程概況

楊泗港長江大橋工程全長4.13 km，其中主橋段長1.7 km(兩座橋塔之間距離)，漢陽岸接線長0.973 km，武昌岸接線長1.461 km。根據《武漢楊泗港長江大橋工程地質初勘報告》及部分詳勘報告和資料，對本建筑場地，工程地質分述如下:漢陽岸錨碇處覆蓋層中上部為全新松散或中密狀粉、細砂，軟塑狀粉質黏土及流塑狀淤泥質粉質黏土，厚約31～33 m，工程性能差；覆蓋層中下部為硬塑-堅硬狀黏土夾密實狀圓土，工程性能好，厚約20～30 m；基巖埋深51～54 m，主要為白堊-第三系泥泥質砂巖、疏松砂巖。錨碇基礎頂高程為24.0 m，基礎底面高程為-15.0 m，地連墻底面高程為-35.0 m，基礎深39.0 m，地連墻總深度59.0 m，地連墻入中等膠結泥質砂巖內約5 m。

2 有限元計算模型

2.1有限元模型的建立步驟

1)建立模型的有限差分網格，來定義所要模擬的幾何空間。

2)定義本構模型和賦予材料參數，從而限定模型對于外界擾動做出的變化規律。

3)定義計算區域的邊界條件、荷載、 初始條件，以此來定義模型的初始狀態。

2.2計算區域及邊界條件的確定

由于本深基坑面積較大,計算整個深基坑模型導致網格和節點過多,計算量大，使軟件計算的速度緩慢,所以選取該基坑北側的一段進行數值模擬，該段基坑深度39 m，根據工程實際經驗，基坑開挖影響深度為開挖深度的 2～4 倍，影響寬度為開挖深度的3～4 倍，由此來確定模型的影響范圍[1]。而對于計算域的邊界,一般是這樣考慮的:原則上此范圍要達到基坑開挖結構受力后不再產生變位影響的邊界為止[2]。

根據模型的對稱性,取1/4模型做為最終的計算模型(圖1)。計算模型的規模為105 257個單元。

圖 1 楊泗港長江大橋基坑開挖1/4有限元模型

2.3計算參數

作為塑性材料，土體的計算參數有: 密度(density)、泊松比(ratio ) 、體積模量( bulk)、切變模量(shear)、黏聚力(cohesion)、摩擦角 (friction)、彈性模(elastic)、膨脹角 (dilation)， 其計算公式為

式中:K為體積模量；E為彈性模量；ν為泊松比；G為切變模量。計算過程選用參數見表1。

表1 地層力學性質參數取值

2.4計算工況

根據原施工方案將工程施工階段分為27個階段(圖2)，施工過程中，基坑中心土體采用超開挖，超開挖深度為4 m。

圖 2 施工階段圖

施工工況一：其施工步驟為施工完成地連墻及帽梁結構；完成基坑內預抽水試驗，確認止水效果滿足設計要求。工況二：基坑內降水至地下水位+19.0 m處，對自然地面至帽梁底標高范圍內的土體進行機械開挖。工況三：完成帽梁高度范圍內的土體開挖；基坑內繼續降水至地下水位+16.0 m標高處，機械開挖第一層內襯環向4 m寬、3 m高的施工作業面區域土體。工況四：進行第一層內襯施工，同步完成第一層內襯高度范圍內剩余土方機械開挖+17.0 m處，待第一層內襯砼強度達到設計值的80%后，基坑內繼續降水至地下水位+13.0 m標高處，機械開挖第二層內襯環向4 m寬、3 m高的施工作業面區域土體。依次類推，直至開挖進行第十一層內襯施工，同步完成第11層內襯高度范圍內剩余土方機械開挖-15.0 m處，并對基坑底進行全面清理整平處理，基坑頂面設置大型履帶吊機掛5 m3料斗吊運渣土，汽車外運至棄土場。

3 數值模擬結果分析

3.1周圍土體沉降分析

以基坑開挖的中心作為圓點，經過建模計算，首先，計算圍護結構的位移曲線；其次，根據所求得的圍護結構變形曲線，將其劃分為上述三種基本變形模式，并確定三種基本模式的位移最大值[3]；最后，根據上文所求的對應于各種基本模式的經驗公式，求解每一基本模式所對應的坑外深層土體任意點沉降值，并對三者進行疊加，從而才能求得坑外任意深度處土體的沉降值。從圖3可以看到，地下連續墻外側地面的沉降規律，最大沉降在距離地連墻3～4 m范圍，最大值為2.41 mm。由于有限元模型在外側土體與地連墻之間設置了接觸單元，與實際情況符合，所以這個沉降分布比較符合通常的基坑開挖地連墻外側地表沉降的規律[4]。此外，通過具體的工程實例對坑外土體深層土體沉降經驗曲線進行了驗證，得到了較為吻合的結果。

圖3為地下連續墻外側土體沉降量的變化情況，每個點值都是其對應施工階段的最大值，可以看到最后一個施工階段的沉降量最大，最大值為2.97 mm；第二個施工階段(地下連續墻與冠梁的施工)由于對地表的擾動較大，沉降會有一個突變，這個階段的地面沉降最大值為1.86 mm。

圖 3 各個施工階段周圍土體最大沉降量

3.2地下連續墻分析

由于地連墻結構體系相當于一個豎直的懸臂梁，在土壓力及地下水的作用下，在地連墻的根部會有較大的負彎矩[5]，根部外側的拉應力會較大，但考慮實際情況，土體和基巖會有一定的變形，一部分應力會得到釋放，實際的拉應力會比計算值小。

由圖4可以看到，在土壓力和地下水的作用下，地連墻在根部，也就是地連墻頂部向下59 m的位置負彎矩最大，意味著靠近土體一側地連墻表面的拉應力最大。

圖 4 地連墻根部負彎矩示意圖

4 結論

以楊泗港長江大橋漢陽側錨碇基坑開挖為研究對象，利用Midas GTS NX 對不同基坑開挖過程和支護方案進行數值模擬，得出了以下主要結論。

1)利用 MIDAS-GTS NX對楊泗港漢陽側基坑工程建立了有限元分析模型，簡述了建模區域的選擇和建模的基本原則，選取建模所需的土層和支護結構的模擬參數，簡介了本次建模的主要步驟[6]?？紤]基坑實際開挖步序，數值模擬計算所得的基坑變形結果，基本能夠較好的模擬開挖過程中的基坑工程變形特征，能夠為基坑實際施工過程提供一定的參考價值。但考慮施工中的諸多不確定性因素，施工過程中應該注意加強現場變形監測工作，重視對于基坑水平位移及周邊高大建筑物的沉降的監測[7]。

2)建立了基于Midas的基坑開挖數值模型,根據工程實例分析、 確定了計算參數、 計算單元、 邊界條件,搭建了計算模型， 本次計算采用水土分算。

3)根據數值模擬的結果，開挖至基坑設計深度時，基坑周圍土體的沉降最大為2.41 mm。地下連續墻在基坑底部：即施工階段為第13層開挖土，最大值為3.303 MPa；最大壓應力為出現在第13層未加內襯施工前的時候,最大值為15.468 MPa；最大變形為18.766 mm。

4)基坑底部隆起第27個階段的最大值為28.7 cm，這個值是最終隆起量，在施工中不可能出現。

5)在基坑底靠近地連墻根部的位置，最大拉應力相對偏大，說明這個部位受力狀況比較復雜，建議開挖時應注意增加支護結構。

6)從本次模擬分析的過程中可以看到，實際工程中對于有限元分析結果的合理利用，能夠對設計與施工提供一定的指導和幫助，可以使工程的設計與施工更加合理[8]。

[1] 徐前衛,馬險峰,朱合華,等.軟土地基超深基坑開挖的離心模型試驗研究[J].土木工程學報,2009,42(12):154-161.

[2] 王曉偉，童華煒.考慮深基坑坑角效應的支護結構變形計算[J].地下空間與工程學報，2011,7(3)：483-484.

[3] 郭力群，程玉果，陳亞軍，等.內支撐基坑群開挖相互影響的三維數值分析 [J].華僑大學學報，2014,35(6)：712-715.

[4] 樊勝軍,胡長明,劉振江.某深基坑施工期圍護結構變形監測與數值模擬分析[J].施工技術,2010,39(9):82-84.

[5] 中國建筑科學研究院.JGJ120-2012.建筑基坑支護技術規程[S].北京: 中國建筑工業出版社,2012.

[6] 賀煒，潘星羽，張軍,等,河心洲地鐵車站深基坑開挖監測及環境影響分析[J].巖土工程學報，2013(S1) :478-483.

[7] 劉寶琛. 綜合利用城市地面及地下空間的幾個問題[J]. 巖石力學與工程學報, 1999(1): 109-111.

[8] 泮曉華，薛雷，涂杰楠，等．深基坑疏排樁錨與土釘墻水平聯合支護數值模擬[J]． 工程勘察，2010(11) : 1-5．

[責任編校：張巖芳]

NumericalSimulationofExcavationA Case Study of Yangsigang Yangtze River Bridge Anchorage of Hanyang Side

SUN Xianbin, HU Shuaijun, SHI Junfeng

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This paper establishes a three-dimensional finite element simulation model for foundation pit excavation for the construction process of the excavation of Hanyang anchorage foundation of Yangsigang Yangtze River Bridge. The numerical analysis of the stress and deformation characteristics of each excavation site is carried out by Midas software, and the most unfavorable position in excavation process is obtained, which provide reference for the construction party to take corresponding measures in the excavation process.

foundation pit excavation; numerical simulation；soil settlement

2016-12-21

孫賢斌(1964-)， 男， 湖南華容人，湖北工業大學教授，研究方向為道路與橋梁

1003-4684(2017)05-0005-03

TU470

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