基于MIDAS 深基坑樁錨支護(hù)數(shù)值模擬分析

楊林生 ，何 浩 ，曹 瑞

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001；2.合肥學(xué)院，安徽合肥 230601）

0 引言

我國地大物博，不同地區(qū)的工程地質(zhì)條件有一定的差異，因此不同地區(qū)基坑建設(shè)的借鑒意義不是很大。在這個信息時代，建設(shè)工程眾多，安全要求越來越高，利用軟件模擬工程的開挖和支護(hù)，有利于工程更快更安全的施工。張軍等[1]利用有限元軟件模擬實際工程，得出降水對于基坑穩(wěn)定性影響較大。丁樂[2]用有限元軟件模擬基坑施工，并以此作為安全評估的方法。蔣希雅等[3]利用有限元軟件，得出開挖深度對基坑空間效應(yīng)的影響較大。李方成等[4]利用MIDAS 軟件進(jìn)行模擬，得出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況與施工工序有很大的關(guān)系。李明瑛等[5]通過有限元軟件模擬，為變形控制設(shè)計與工程監(jiān)測提供依據(jù)。王延昭等[6]用有限元軟件模擬，得出結(jié)論，圓形或者不規(guī)則的形狀的基坑用內(nèi)撐式較好。

1 工程概況

本工程位于湘潭市，在湘潭市政府西側(cè)，擬建項目建筑為框架結(jié)構(gòu)，地上四層，高為23.95m，本工程擬建政務(wù)中心、公共資源交易中心和市民活動中心。勘察時原有建筑已拆除，基坑場地地勢不平，在基坑的西北角方向地勢較低，基坑安全等級為一級。

2 工程地質(zhì)條件

①雜填土，平均厚度7.5m；②淤泥質(zhì)雜填土，平均厚度1.5m；③黏土，平均厚度為1.5m；④強風(fēng)化巖，平均厚度為1.5m；⑤中風(fēng)化巖，平均厚度為10m。

3 基坑支護(hù)方案

本工程基坑采用樁錨支護(hù)，為預(yù)應(yīng)力錨桿加鉆孔灌注樁。基坑開挖深度為9.3m，鉆孔灌注樁的直徑為1.2m，樁的間距為2m，嵌固深度為5m，混凝土強度為C30；錨桿共設(shè)置3 層，錨桿直徑為150mm，傾角為30°，第一層錨桿長度為25m，錨固長度為17m，第二層錨桿長度為20m，錨固長度為14m；第三層錨桿長度為15m，錨固長度為10m。

基坑共分四次開挖，第一次開挖至2m，在距基坑頂面1.5m處進(jìn)行第一層錨桿的施工；第二次開挖至4.5m，在距基坑頂面4m 處進(jìn)行第二層錨桿的施工；第三次開挖至7m，在距基坑頂面6.5m 處進(jìn)行第三層錨桿的施工；第四次開挖至基坑底部9.3m 處。

4 有限元計算

4.1 模型建立

根據(jù)實際工程的基坑尺寸來確定模型的尺寸，本基坑模型取土層邊界寬為220m，基坑寬為80m，根據(jù)工程地質(zhì)條件的參數(shù)來分別定義每層土體。采用修正莫爾庫倫模型來模擬，不考慮排水固結(jié)及地下水滲流的影響。建模過程中，用梁單元表示圍護(hù)樁，用植入式桁架表示錨桿，以此來模擬基坑的開挖和施工。邊界條件的設(shè)置采用了軟件的自動約束功能，并且添加自重，按照正常步驟，建立二維模型。

4.2 施工工況

工況一，初始地應(yīng)力分析；工況二，圍護(hù)樁施工；工況三，開挖至2m，在1.5m 處，進(jìn)行第一層錨桿施工；工況四，開挖至4.5m，在4m 處，進(jìn)行第二層錨桿施工；工況五，開挖至7m，在6.5m 處，進(jìn)行第三層錨桿施工；工況六，開挖至9.3m。

5 模擬結(jié)果分析

如圖1 所示，為不同開挖深度下圍護(hù)樁的水平位移曲線圖。開挖一，開挖到基坑深2m 處，此時開挖深度較小，最大水平位移為1.57mm；開挖二，開挖到基坑深4.5m 處，最大水平位移為3.53mm；開挖三，開挖到基坑深7m 處，最大水平位移為6.01mm；開挖四，開挖到基坑深9.3m 處，最大水平位移為9.19mm。隨著開挖的越來越深，支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍的土體被挖走，圍護(hù)樁的水平位移逐漸增大。

如圖2 所示，為不同開挖深度下，基坑底部的隆起位移圖。開挖一，開挖到基坑深2m 處，此時開挖深度較小，隆起位移為2.45mm；開挖二，開挖到基坑深4.5m 處，隆起位移為7.08mm；開挖三，開挖到基坑深7m 處，隆起位移為11.87mm；開挖四，開挖到基坑深9.3m 處，隆起位移為16.65mm。隨著開挖越來越深，基坑底部的隆起呈線性增大關(guān)系。

圖1 圍護(hù)樁的水平位移曲線

圖2 基坑底部的隆起位移

6 影響圍護(hù)樁變形的因素分析

6.1 圍護(hù)樁的直徑

本工程基坑圍護(hù)樁的設(shè)計直徑為1.2m，設(shè)計樁長為14.3m。現(xiàn)改變圍護(hù)樁直徑分別為 0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.8m、1.0m、1.1m，其他參數(shù)保持不變。如圖3 所示，圍護(hù)樁直徑為0.2m時，圍護(hù)樁最大水平位移為35.03mm，已經(jīng)超過預(yù)警值，水平位移為所有不同圍護(hù)樁直徑中最大的。圍護(hù)樁直徑為0.3m 時，圍護(hù)樁最大水平位移為17.86mm；圍護(hù)樁直徑為0.4m 時，圍護(hù)樁最大水平位移為13.71mm；圍護(hù)樁直徑為1.1m 時，圍護(hù)樁最大水平位移為9.27mm；圍護(hù)樁直徑為1.2m 時，圍護(hù)樁最大水平位移為9.19mm。當(dāng)圍護(hù)樁直徑增大時，就會增大圍護(hù)樁截面慣性矩，這就使抗彎剛度增大，所以水平位移會減小。增大圍護(hù)樁的直徑，最大水平位移在不斷減小。在圍護(hù)樁直徑接近本工程設(shè)計直徑1.2m 時，此時對水平位移的影響并不大，在經(jīng)濟(jì)效益下，選擇合理的圍護(hù)樁直徑具有最大的性價比，這才是最合理的。

圖3 不同直徑的圍護(hù)樁水平位移

6.2 圍護(hù)樁的嵌固深度

本工程基坑圍護(hù)樁設(shè)計嵌固深度為5m，設(shè)計樁長為14.3m。現(xiàn)改變圍護(hù)樁嵌固深度分別為7m、9m，其他參數(shù)保持不變。如圖4所示，增加圍護(hù)樁的嵌固深度，圍護(hù)樁最大水平位移在不斷減小。嵌固深度為5m 時，圍護(hù)樁最大水平位移為9.19mm；嵌固深度為7m 時，圍護(hù)樁最大水平位移為8.81mm，嵌固深度為9m 時，圍護(hù)樁最大水平位移為8.36mm。當(dāng)圍護(hù)樁嵌固深度逐漸增大時，土層下的圍護(hù)樁有了更大的被動土壓力，以此來相互抵消主動土壓力，所以水平位移會減小。雖然嵌固深度增大了，但是對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性改變并不明顯，更深的嵌固深度固然對支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有幫助，但是在安全的范圍內(nèi)，盲目選擇更大的嵌固深度是非常不可取的，不僅不經(jīng)濟(jì)，也增大了施工難度。按照規(guī)范[7]要求，維護(hù)樁應(yīng)滿足一定的嵌固深度，對于多支點結(jié)構(gòu)，不宜小于基坑深度的0.2 倍。

圖4 不同嵌固深度的圍護(hù)樁水平位移

6.3 錨固長度

如圖5 所示，保持其他參數(shù)保持不變，改變錨固長度。當(dāng)不加錨固時，圍護(hù)樁最大水平位移為51.34mm；減少3m 錨固長度時，圍護(hù)樁最大水平位移為11.45mm；正常錨固時，圍護(hù)樁最大水平位移為9.19mm。錨固段是維持支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，這是因為錨固段和土層之間有較大的摩阻應(yīng)力，摩阻應(yīng)力越大，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。不加錨固，圍護(hù)樁最大水平位移遠(yuǎn)超允許的范圍，支護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失穩(wěn)，對比之下，減少錨固長度，對圍護(hù)樁影響較小，在本文的基坑中，減少3m 錨固對比正常錨固，對圍護(hù)樁的水平位移影響并不大。

圖5 改變錨固長度的維護(hù)樁水平位移

7 結(jié)論

針對湘潭市民之家深基坑支護(hù)工程，用有限元軟件Midas－GTS-NX 進(jìn)行分析，分別對不同圍護(hù)樁直徑和嵌固深度、錨固長度，進(jìn)行了模擬，對比分析對圍護(hù)樁最大水平位移的影響，得出了如下結(jié)論：

（1）增大圍護(hù)樁直徑，最大水平位移會減小。隨著圍護(hù)樁直徑的增大，最大水平位移在不斷減小，當(dāng)圍護(hù)樁的直徑增大到一定程度時，繼續(xù)增大直徑，對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響會小很多，圍護(hù)樁直徑取0.8~1.2m 為宜。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度對最大水平位移有一定影響，嵌固深度越大，最大水平位移越小，但在安全范圍內(nèi)，更深的嵌固深度并不合理也不經(jīng)濟(jì)，一般情況下，取5m 嵌固深度比較合適。

（3）錨固段產(chǎn)生的摩阻應(yīng)力是保持支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素，在不加錨固的情況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)失穩(wěn)。