關于深基坑工程的數值仿真分析

韓冬梅,許經宇

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

1 工程概況

白沙灘泵站主泵房基坑最大深度為17m。該段主體結構總挖方量為15607m3，基底及基底以上至地表的地層都在強風化混合巖及以下地層，用機械直接挖取。

基坑圍護采用預制板樁、鋼板格子圍堰或雙層鋼板樁，第一道支撐采用800×600混凝土支撐，其余采用Φ609×14鋼管內支撐作為基坑支護結構，墻頂設冠梁。兩側鋼板樁與雙層鋼板樁之間全部采用Φ609×14鋼管斜支撐支護，基坑內最多處共設5道支撐。另外，鋼支撐與圍護樁之間節點設50a雙拼工字鋼圍檁。本文采用有限元軟件對該工程進行分析和計算，相關成果為以后工程提供類似經驗。

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

(1)土體為均質、各項同性材料,各土層物理指標見表1。

(2)支撐為彈性材料，設置為梁單元[1]。

(3)鉆孔灌注樁組成的支護排樁，其受力形式與地下連續墻相似，又由于樁頂冠梁連接加強了整體性，所以計算中便可以按樁墻抗彎剛度相等的原則等價為一定厚度的壁式地下連續墻進行內力分析。按照以前的經驗證明，按等價的壁式地下連續墻設計，結果是偏于安全的、合理的[2]。

(1)

式中，h—連續墻的厚度；η—經驗修正系數；D—支護樁的直徑；L—樁心間距。

故取支護排樁有效厚度為1m，并假定為彈性材料，在二維模型中采用梁單元。支護結構參數見表2。

(4)土體的本構模型選擇莫爾—庫倫模型。

2.2 有限元網格劃分及邊界處理條件

地表沉降影響范圍可達基坑開挖深度的5倍，主要影響區在開挖深度的1倍范圍內，距開挖區1～2倍范圍內為次要影響區，在確定邊界時，一般取基坑開挖的影響深度為開挖深度的2～4倍，影響寬度開挖深度的3～4倍[3]。結合工程實際情況及圍堰位移分析結果可知，沉降均未超過8mm，因此本文在數值模擬過程中不考慮圍堰和波浪荷載作用。數值基坑模型長40m，寬30m。

在有限元模擬中，網格的劃分精度及均勻性對計算結果會產生較大的影響。本工程二維網格劃分路線是：首先利用映射網格K-線面功能劃分基坑內部網格，定義單元尺寸為1m，并分別定義各土層屬性；再利用自動劃分網格功能劃分基坑外部區域；然后對支撐及樁單元劃分網格，分別定義屬性[4]。

采用位移約束邊界條件：地表面只有模型四周約束法相水平位移，底面約束(x，y，z)3個方向約束，如圖1、2所示。

表1 各土層物理指標

表2 支護結構參數

圖1 基坑二維有限元網格

2.3 定義荷載

(1)定義自重荷載：在荷載選項下選擇自重，并定義Y方向自重系數為-1。

(2)定義超載：在荷載選項下選擇壓力荷載，定義基坑兩側土體為施加荷載區域，選擇荷載方向，確認。

3 數值計算結果分析

泵站深基坑開挖過程中水平位移、沉降以及軸力在實際監測及施工過程中尤為重要，每個數值的改變都能反映出相應基坑開挖的安全與否，以下為有限元模型數值計算結果的分析與研究。

3.1 水平位移

由圖2可以看出，在開挖完成時最大水平位移出現在轉角1截面基坑邊界20m深處，最大變形為23.89mm，在控制范圍內。各截面水平位移隨著深度的增加，總體呈現先增大后減小的趨勢。基坑頂部由于支撐作用水平位移向基坑外側偏移，底部由于土壓力的作用強于支撐則向基坑內部偏移。

圖2 開挖完成各截面水平位

3.2 基底豎向位移

由圖3可以看出，基坑底部豎向位移隨著開挖深度的增大而增大，最大位移出現在轉角1截面第五步開挖完成時，最大隆起值為163.24mm，也在控制范圍內。

圖3 各截面不同施工階段基地最大隆起值

3.3 支護結構軸力

由圖4可知，支撐由上到下軸力成遞增趨勢，第5道支撐由于相對較短，所以出現了軸力變小的情況。最大支撐軸力出現在轉角1的第4道支撐，其值為700kN，滿足設計要求。

圖4 各截面支撐軸力

4 結語

目前我國深基坑工程越來越多，且越發復雜，對深基坑變形的控制也越來越嚴格。本文以白沙灘泵站深基坑工程為例，利用Midas/GTS軟件研究該工程施工過程中支護結構水平位移、基底隆起、支撐軸力等的變化規律，并得到以下結論：

(1)有限元Midas/GTS軟件建立的工程模型很好地模擬了基坑開挖的過程，夠使基坑施工變得可視化、信息化，可以為類似工程提供參考。

(2)隨著施工的進行，土體不斷被挖出，支護結構的深層水平位移不斷增大，開挖面以上部分水平位移明顯比開挖面以下部分大，由于支撐作用，樁體位移在支撐位置附近明顯減小。

(3)基坑坑底隆起規律為兩邊小中間大，類似于倒扣的“盆”。可進一步通過現場監測數據對其計算結果的正確性進行驗證。

(4)支撐軸力總體上呈由小變大并趨于穩定的變化規律。在多道支撐中從上到下軸力依次增大，其中靠近坑底的支撐軸力最大同時變化也較大。