基于Midas GTS的基坑圍護數值模擬及變形分析

洪 昇

上海建浩工程顧問有限公司 上海 200030

本文采用Midas GTS軟件模擬了某深基坑工程不同工況下的基坑開挖和支護施工階段，分析了其圍護樁受力和坑外樁周土位移隨樁體嵌固深度、排樁形式以及土體壓縮模量的變化特點，并結合實際監測數據，說明了本次模擬具有可靠性，驗證了圍護方案的可行性，可為類似施工的指導提供一定的參考[1-4]。

1 工程概況

某項目位于杭州市余杭區，用地面積約為132 918 m2，總建筑面積約428 022 m2。地塊自東向西約為600 m，南北約為300 m，開挖深度為10 m。擬建場地周邊環境較為復雜，分布有已建的商辦樓、住宅小區、學校等。本工程距周邊道路也較近，特別是場地北側還分布有地下管線，如燃氣、雨水、電力、通信等各類市政管線。

綜合考慮本工程場地地質條件、基坑開挖深度，在基坑圍護設計時，確定對本基坑西側采用鉆孔灌注樁（局部雙排樁）結合1道鋼筋混凝土角撐的圍護方案；對基坑東側采用鉆孔灌注樁結合1道鋼筋混凝土對撐、角撐的圍護方案；對基坑中部采用鉆孔灌注樁雙排樁結合1道混凝土斜支撐的圍護方案。圍護樁背后均采用三軸水泥攪拌樁止水止淤，對基坑西側及雙排樁區域坑底被動區加固，基坑內砂質粉土分布區域采用管井降水（圖1）。

圖1 基坑平面示意

本工程圍護樁采用鉆孔灌注樁，樁徑0.9或1.0 m，單排樁區域樁間距分別為1.1、1.2 m，局部雙排樁區域樁間距分別為2.2、2.4 m。樁身混凝土強度等級為C25，水灰比0.50～0.55，坍落度180～220 mm。本工程應用進口的φ850 mm@600 mm三軸水泥攪拌樁機濕法作業，采用套接一孔法施工。

2 Midas GTS建模及計算

Midas GTS是巖土和隧道工程有限元分析軟件，可便捷實現復雜模型在靜動荷載作用下的響應分析，包括施工階段、滲流、動態邊坡穩定、固結、動力分析等功能。

本文基于Midas GTS進行數值模擬分析，主要結合基坑工程開挖的特點，選取摩爾-庫倫模型模擬土體本構，支撐及圍護樁采用彈性模型。因工程項目中采用鉆孔灌注樁作為地下連續墻，故需作等效處理，原理如下：設排樁中心間距為t，鉆孔灌注樁直徑為D，則單根排樁可等效成長為D＋t的地下連續墻，并設等效地下連續墻墻厚為h，則二者按等剛度原則可等效為：(D＋t)h3/12=πD4/64，其中，h=0.838D·[D/(D＋t)]1/3。

2.1 模型參數

采用Midas GTS軟件對基坑開挖進行施工階段模擬，其中巖土體物理力學參數的選取對模擬有著重要的影響。根據現場巖土勘察資料、室內試驗數據及施工方案，模擬區域巖土參數及基坑圍護結構參數詳見表1、表2。

表1 地層巖土參數

表2 支護結構參數

2.2 模擬工況

根據基坑圍護參數和巖土參數，結合實際施工條件，制訂了表3中共12種模擬工況，以對比研究圍護樁嵌固深度、雙排樁及土體壓縮模量變化對基坑圍護變形的影響。

表3 模擬工況說明

2.3 網格劃分及建模

根據實踐經驗，基坑開挖的影響寬度一般為基坑開挖深度的3～4倍，其影響深度一般為開挖深度的3～4倍。本項目開挖深度為10 m。根據本工程的特殊情況，長寬尺寸較大，土質較差，并考慮計算機配置的要求，選擇具有代表性的區段進行二維數值模擬（圖2）。整個模型有限元尺寸為300 m×60 m。

圖2 基坑二維模型

模型邊界條件可以采用軟件自動設置的地基邊界：兩側水平方向約束，底面水平方向和豎直方向約束。模型自重在模型y方向設置－1，則表示為受到1個重力加速度g，方向豎直向下。

2.4 施工階段模擬

在建模完成后，Midas GTS可以通過激活、鈍化網格組進行基坑開挖支護施工模擬。現就不同工況的施工模擬步驟加以說明。

1）工況1：第1步初始應力計算，施加地基邊界條件和重力，激活所有土體網格單元，并進行位移清零；第2步激活基坑單排圍護樁，并進行位移清零；第3步開挖3 m，鈍化該標高以上開挖區域土體網格組；第4步開挖至6 m，鈍化該標高以上開挖區域土體網格組；第5步開挖至10 m，鈍化該標高以上開挖區域土體網格組。

2）工況2～5、工況10～12：與工況1相比較，第1、2步中激活對應的土體、圍護樁和格構柱外，在第4步改為支撐施工并開挖至6 m，激活支撐并鈍化該標高以上開挖區域土體網格組；其他步驟相同。

3）工況6～9：與工況1相比較，第2步中的單排圍護樁改為雙排圍護樁；其他步驟相同。

3 數值分析及結果

3.1 模擬與實測比較

工況2是本項目實際工況的模擬，對工況2與坑外測斜管監測數據進行比較（圖3），模擬曲線與實際監測曲線最大水平位移偏差為8.7%（2 mm），且曲線樣式基本一致，對于復雜巖土模擬來講，本次建模具有較好的可靠性。

圖3 工況1～2、CX34樁側土水平位移

此外，據圖3中工況1和工況2比較，可以看到無支撐時，坑外土體水平位移達到68.9 mm，土體早已破壞，工況2最大位移為23.3 mm，滿足要求。

3.2 嵌固深度影響分析

作為擋土結構，地下連續墻嵌固深度需滿足各項穩定性和強度要求。在軟土地層中，地下連續墻在基底以下的嵌固深度一般接近或大于開挖深度方能滿足穩定性要求。工況2～5圍護樁長分別為24、26、28和30 m，基坑開挖深度為10 m，則工況2～5圍護樁嵌固深度分別為14、16、18和20 m（圖4、圖5）。

圖4 工況2～5樁側土水平位移

圖5 工況2～5圍護樁彎矩

從圖4可知，隨著嵌固深度的增大，樁側土最大水平位移逐漸變小，嵌固深度每增加2 m，水平位移變化幅值約0.86%，變化幅度甚小，說明當圍護嵌固深度達到24 m時，繼續增加嵌固深度對樁側土水平位移影響較小。此外，工況2～5的樁側土水平位移曲線在－13 m處出現拐點。在－24～－13 m，位移值較小，變化幅度較小；在－13～0 m，樁側土水平位移迅速增大，變化幅度較大。當基坑開挖，土體卸荷，坑外圍護樁側土體向坑內方向傾斜擠壓，圍護樁承受主動土壓力，開挖區深度范圍內土體水平位移明顯增大。

從圖5可知，隨著嵌固深度的增大，圍護樁最大彎矩基本不變，但在坑底深度以上樁段，圍護樁最大彎矩隨著嵌固深度的增大而減小，減小幅度隨著嵌固深度的增大而增小。最大彎矩位于－3 m處，即第1道支撐位置，符合一般規律。

綜上所述，當嵌固深度達14 m時，繼續增大嵌固樁長對減少圍護樁側土體最大水平位移及圍護樁最大彎矩影響甚小；且樁長增加必然造成施工成本的增加。故工況2較工況3～5優，本項目實際工程中，采用24 m圍護樁合理。

3.3 排樁影響分析

雙排支護結構是沿基坑側壁排列設置的由前、后兩排支護樁和梁連接成的支擋結構。工況6～9采用雙排支護形式，坑內未設置橫向支撐（圖6、圖7）。

圖6 工況6～9樁側土水平位移

圖7 工況6～9圍護樁彎矩

從圖6可知，隨著前后排樁間距增大，樁側土的最大水平位移逐漸變小，其位置沿深度方向逐漸增大。前后排樁間距每增加1 m，樁側土最大水平位移減小幅度越來越小。工況6～9中，減小幅度依次為14.3%、8.8%和5.3%。此外，圖中曲線在深度－13 m處，顯出與圖4相似的特征，此處不再贅述。從圖7可知，隨著前后排樁間距增大，圍護樁最大彎矩逐漸增大，前后排樁間距每增加1 m，圍護樁最大彎矩增大幅度值越來越小。工況6～9中，增大幅度值依次為8.7%、4.0%和1.7%。

綜上所述，隨著前后排樁間距增大，樁側土最大水平位移逐漸變小，而圍護樁最大彎矩逐漸增大，且二者變化幅度越來越小。樁側水平位移小，說明基坑越安全；樁內彎矩大，則對圍護樁結構構造要求高。此外，基于場地條件、紅線位置，排樁間距受限。故綜上考慮，采用3～4 m作前后排樁間距較適宜。本項目實際工程中，采用3.6、4 m排樁間距合理。

3.4 土體壓縮模量影響分析

壓縮模量對土體變形有著十分重要的影響。工況10～12對比工況2，通過改變壓縮模量來分析其對土體變形及圍護樁彎矩的影響（圖8、圖9）。

圖8 工況2、工況10～12樁側土水平位移

從圖8可知，隨著土體壓縮模量的增大，樁側土最大水平位移逐漸變小。土體壓縮模量每增加2 MPa，樁側土最大水平位移減小幅度隨著越來越小。工況2、工況10～12，減小幅度依次為28.4%、23.3%和20.0%。

從圖9可知，隨著土體壓縮模量的增大，圍護樁最大彎矩逐漸減小，土體壓縮模量每增加2 MPa，圍護樁最大彎矩減小幅度值亦隨著越來越小，且最大彎矩位置發生變化，工況2中，最大彎矩位置為樁深－13 m處；工況10～12，最大彎矩位置為樁深－3 m處。

圖9 工況2、工況10～12圍護樁彎矩

綜上所述，隨著土體壓縮模量的增大，樁側土最大水平位移逐漸變小，圍護樁最大彎矩逐漸減小，且二者變化幅度也越來越小。說明通過一定手段改善坑外土質，增大其壓縮模量，可減少土體及圍護樁變形。

4 結語

1）本工程采用Midas GTS對深基坑進行二維數值模擬，可分析不同工況下圍護樁嵌固深度、排樁形式及土體參數，對樁周土體位移及基坑圍護樁受力影響，同時結合實測數據，說明模擬具有可靠性，驗證了方案的可行性。

2）模擬結果表明：超過一定深度后，繼續增加圍護樁嵌固深度，對基坑圍護樁受力和樁周土變形影響較小，且樁長的增加，必然造成施工成本的增加。對樁體錨固深度的研究，為圍護樁長方案的比選提供了一定的依據。

3）在一定間距范圍內，雙排樁間距的增大可減少土體水平變形，但圍護樁身內力也會增加。綜合考慮場地條件、圍護樁設計構造要求及成本、土體變形控制因素，對雙排樁間距的研究具有一定的指導意義。

4）隨著土體壓縮模量的增加，土體變形及圍護樁最大內力都會減小。通過一定手段改善坑外土質，可增加基坑圍護結構的穩定性。