基于Midas/GTS的深基坑數(shù)值模擬分析

馬 野 王瑞芳 雷 穎

(武漢科技大學城市建設(shè)學院，湖北 武漢 430081)

本文以武漢市某深基坑工程項目為依托，利用Midas/GTS有限元軟件建立三維有限元結(jié)構(gòu)模型，分析了各種工況下的圍護結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。鑒于深基坑工程與已運營的地鐵線路敏感的位置關(guān)系，同時探討了深基坑施工對臨近地鐵隧道區(qū)域的影響。通過與實測數(shù)據(jù)對比，驗證了Midas/GTS在基坑樁撐支護設(shè)計分析方面的適用性，在一定程度上，提高深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，保障了基坑施工的安全，為今后深基坑支護工程的數(shù)值模擬提供借鑒。

1 工程概況及地質(zhì)情況

深基坑工程位于武漢市中南路附近，基坑面積約3 725 m2,周長約255 m，上部結(jié)構(gòu)約60層，下部預設(shè)3層地下室。基坑長約71.6 m，寬約52 m,深13.6 m。本工程采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護方案,其中圍護樁長27 m,鉆孔灌注樁徑φ=1 400 mm,樁間距1 800 mm，樁間掛鋼筋網(wǎng)并噴射混凝土輔助擋土。自上而下內(nèi)設(shè)兩道內(nèi)支撐，分別位于-4.6 m,-10.3 m。內(nèi)支撐及冠梁，腰梁截面尺寸見表1。基坑西側(cè)臨近中南路和地鐵2號，4號線，支護距離中南路道路中線最近約33.1 m,距離軌道交通控制線最近2.05 m,距離最近地鐵隧道外壁約為13.2 m。

表1 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)截面尺寸

工程地質(zhì)條件如下：武漢市處于長江沖擊平原的中游地區(qū)，工程地質(zhì)條件極為復雜，不同土層分布不均。根據(jù)該深基坑項目巖土工程勘察報告，在場地勘察深度內(nèi)，按照土層的特性對基坑場地土質(zhì)進行劃分，其詳細的物理參數(shù)如表2所示。

表2 土層物理力學參數(shù)

2 Midas/GTS數(shù)值模型的建立

2.1 基本假定及邊界條件

為簡化計算規(guī)模、保證運算結(jié)果收斂，做出基本假定如下：

1)土體均采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型計算，鋼筋混凝土和鋼立柱均按線彈性材料考慮；2)假定基坑及周圍土體為成層均質(zhì)水平分布；3)不考慮地下水在基坑開挖過程中的影響；4)φ1 400@1 800圍護樁按等剛度轉(zhuǎn)換原則折算成厚800連續(xù)墻，折算規(guī)律如圖1所示。

其中，D為灌注樁直徑,m；t為樁間空隙距離,m；H為等效后樁墻體系的厚度，m。

計算模型的邊界條件為：模型頂面為自由邊界，側(cè)面水平方向固定，底面水平和垂直方向均固定。

2.2 模型結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

深基坑支護結(jié)構(gòu)在Midas/GTS軟件中的詳細的設(shè)計參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系假定見表3。經(jīng)過材料參數(shù)的輸入和地層分布的設(shè)置及數(shù)值網(wǎng)格的劃分后，基坑圍護體系與隧道支護系統(tǒng)部分模型(周圍土層被隱藏)如圖2所示。

表3 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

2.3 模擬工況

在模擬不同工況時，可利用Midas/GTS提供的“激活”與“鈍化”功能實現(xiàn)對基坑不同施工工況的模擬。“鈍化”是指將鈍化單元的剛度、荷載和質(zhì)量設(shè)置為0，從而不讓載荷向量生效。首先建立初始地基模型，添加基坑約束組和載荷組，計算達到初始應力平衡。經(jīng)位移清零后，按照施工順序逐步鈍化，激活相應單元，直至結(jié)束。其中定義的施工工況如下：1)場地初始地應力分析；2)位移清零；3)開挖到-1.00 m；4)設(shè)置第一道內(nèi)支撐；5)開挖到-6.70 m；6)設(shè)置第二道內(nèi)支撐；7)開挖到-13.6 m；8)施工地下室底板。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 不同工況對圍護結(jié)構(gòu)的影響

對于基坑工程，土體是產(chǎn)生荷載的主要來源，但同時也是支撐體系的一部分，支護結(jié)構(gòu)的變形不僅影響基坑的穩(wěn)定，也會使土體所受到的荷載和分布情況發(fā)生改變[1]；在深基坑開挖過程中，基坑內(nèi)外的土體應力狀態(tài)發(fā)生改變，這種改變將引起圍護結(jié)構(gòu)承受荷載并導致圍護結(jié)構(gòu)和土體的變形，圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形中任何量值超出允許值，都將造成基坑的失穩(wěn)破壞進而會使周圍臨近建筑物及地下結(jié)構(gòu)遭受破壞。因此，基坑的變形在某種程度上決定著基坑的穩(wěn)定性。由于篇幅的限制，以下僅顯示深基坑圍護結(jié)構(gòu)在工況7狀態(tài)下某一荷載步作用下的X方向的位移云圖，如圖3所示。在Y方向的水平位移云圖與X方向的云圖數(shù)值分布相似，方向不同，故不再贅述。

表4 基坑位移控制數(shù)據(jù)

基坑位移位移大小/mm一級控制標準/mm備注圍護樁最大水平位移18.223.8滿足要求地面最大沉降13.417滿足要求

由圖4,表4可知，基坑開挖的深度與圍護結(jié)構(gòu)的水平位移變化量成正相關(guān)關(guān)系，即圍護結(jié)構(gòu)水平位移隨著開挖深度的增加而增加[5]。基坑及其圍護結(jié)構(gòu)水平方向上最大位移量的模擬值與實測值的變化趨勢相同，數(shù)據(jù)大小基本吻合，說明本文所建立的有限元模型是合理的，同時對比控制數(shù)據(jù)得出基坑的圍護結(jié)構(gòu)處于安全的工作狀態(tài)，基坑設(shè)計方案合理可靠。

3.2 基坑施工對地鐵隧道區(qū)域的影響分析

由于基坑開挖導致基礎(chǔ)周邊及坑底土體卸載，地應力釋放而重新分布，基坑底部隆起，圍護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移，導致地鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化[6]。根據(jù)計算結(jié)果，基坑在開挖到底，未施工地下室底板前，地鐵隧道區(qū)間內(nèi)襯砌水平位移和豎向位移均達到最大值，提取結(jié)果如表5所示。

表5 地鐵隧道位移控制數(shù)據(jù)

通過與一級控制標準值對比分析，在正常的施工條件下，該深基坑的施工導致地鐵隧道內(nèi)力位移發(fā)生變化不影響地鐵車站的安全性，即地鐵車站和相鄰區(qū)間處于安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

通過利用有限元軟件Midas/GTS的計算，分析了基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與水平位移的分布規(guī)律，以及對臨近地鐵隧道的影響。主要有以下兩點結(jié)論：1)通過對深基坑不同施工工況的三維數(shù)值模擬，不僅能形象的模擬基坑圍護結(jié)構(gòu)的位移、變形及內(nèi)力分布狀態(tài)，而且可以彌補巖土工程中施工多變性難以量化的空缺，同時與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)起來，為基坑圍護結(jié)構(gòu)的安全性分析提供更有利的技術(shù)支持[7]。2)基坑開挖會造成臨近地鐵區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的水平側(cè)向位移和豎向位移，即基坑開挖變形存在顯著的三維空間效應。但地鐵區(qū)域間隧道結(jié)構(gòu)的最大變形量可控制在20 mm以內(nèi)，屬于安全范疇[8]。運用Midas/GTS數(shù)值分析模擬計算軟件分析基坑施工過程對臨近地鐵區(qū)域的影響，比較符合工程實際情況，對后期類似工程有一定的指導意義。