基于MIDAS軟件的基坑開挖數值分析

陸仕淵

（南寧城建管廊建設投資有限公司維護分公司，南寧 530219）

0 引言

當前城市土地資源日漸短缺，人們逐漸開始利用城市地下空間以及研究超高層建筑技術，其中地鐵隧道的建設大大緩解了地面交通壓力，而地鐵站的建設又是城市地下空間開發目的之一，造成基坑工程與日俱增的同時，基坑施工過程中必定會改變周圍土體原有的應力場和位移場，從而引起周圍土體、建（構）筑物以及地下管線的變形，對建（構）筑物的正常使用和人們的生命安全構成危險。因此，在深基坑工程中也有諸多問題迫切需要解決，而且由于對建筑的高度、安全性等性質的要求越來越高，往往需要從新的角度來解決在深基坑開挖過程中遇到的各類難題，由此產生了許多新的經驗、理論以及研究方法［1］。在巖土體相關領域的數值分析應用中，主要有有限拆分法、有限單元法、半解析元法、離散單元法等［2］。其中有限單元法為大多學者所采用的，能夠選擇合理的材料本構模型以及設置復雜的邊界條件，尤其可以有效地解決各類非線性問題以及適用于各種非均質各向異性材料。同時，有限單元法可以考慮基坑施工全過程中的時空效應［3］。由于基坑工程在開挖施工期間，其圍護結構會產生一定的位移，并且基坑底部與周邊地表都會發生一定的變形，倘若變形值超過設計限值則會導致基坑失穩，周圍建筑也會收到影響，產生一定程度的開裂，從而引發基坑工程事故［4］。而在施工中，地基基礎的穩定性也會直接影響整個建筑物的安全性，特別是建筑物建造在斜坡上時，地基土可能會發生整體或局部剪切破壞，因而喪失穩定性［5］。此類事故一旦發生，造成的經濟損失和人員傷亡往往十分巨大，因此數值模擬技術在基坑工程中占據著十分重要的地位，以此使得基坑開挖施工更為安全、經濟。

有限元軟件MIDAS/GTS 集合了目前常用的巖土隧道分析軟件的優點，包括了非穩定滲流分析、施工階段分析、非線性彈塑性分析、滲流-應力耦合分析、固結分析、動力分析等，適用范圍十分廣泛［6］。鑒于此，文中采用MIDAS/GTS對基坑開挖與支護全過程進行數值模擬，土體采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型，混凝土結構采用彈性模型，計算模型模擬了初始地應力場和地下連續墻施工等因素影響，對全過程“順作法”基坑開挖與支護進行模擬，并對地下連續墻圍護結構的變形和坑頂土體變形進行分析。

1 工程概況

某大廈由兩幢分別為16 層和19 層的辦公樓和1幢22層的酒店組成，均設置兩層地下室，如圖1所示，整個場地基坑面積約為147000m2。根據現場踏勘情況，北側建筑物地下室已經施工完畢。工程場地周邊都是市政道路，因此在基坑工程施工過程中需要對其進行保護，但根據市政管線圖顯示，該場地周邊市政管線較少，且沒有煤氣管線以及大直徑水管等需要特別保護，基坑圍護方案采用常規做法即能滿足環境保護要求。基坑開挖影響范圍的主要土層及其物理力學指標如表1所示。

圖1 周邊環境及支護方案總平面布置

表1 土層物理力學指標

2 基坑圍護結構方案設計

2.1 總體方案及圍護結構選型

綜合工程的開挖深度、基坑面積和周邊環境的保護要求以及軟土層厚度，基坑工程總體方案采用“順做法”設計施工方案。圍護結構設計中在考慮圍護體安全的同時要嚴格控制圍護體的變形，以保護周邊的環境。圍護結構采用“兩墻合一”的地下連續墻，即基坑圍護墻兼作主體工程地下結構的外墻。

2.2 水平支撐體系方案選型

對于工程開挖深度和規模的基坑，考慮到基坑工程開挖深度與總工程面積較大，使用鋼支撐會出現較大的變形，對基坑整體變形控制不利。并且基坑工程辦公樓區域形狀相對不規則，利用鋼支撐不利于整體的受力和穩定性。因此，綜合考慮，方案設計采用鋼筋混凝土水平支撐體系方案。具體水平支撐體系如表2所示。

表2 水平支撐尺寸

2.3 立柱與立柱樁

工程中采用臨時鋼立柱及柱下鉆孔灌注樁作為水平支撐系統的豎向支承構件，鋼格構立柱在穿越底板的范圍內需設置止水片。立柱樁盡量利用主體結構工程樁，其中加打立柱樁均為700 的鉆孔灌注樁，樁頂4m 范圍內擴大為800。樁身混凝土強度等級C30（水下澆筑混凝土提高一級）。立柱樁長度為22m，保證進入持力層不少于2m。

3 建模及工況模擬

3.1 計算模型與參數選取

工程借助MIDAS/GTS 進行建模，結合周邊情況，設置相應邊界條件，建立三維基坑開挖有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

整個模型采用混合網格劃分，土體選用Mohr Coulomb 模型作為本構模型，使用三維實體單元進行劃分。而水平支撐體系與立柱等采用線彈性本構模型，使用梁單元劃分。作為圍護主體的地下連續墻使用板單元劃分。

3.2 施工工況模擬

基坑工程采用順做法施工，即維護體采用傳統的板式圍護結構+臨時內支撐的形式，其中板式圍護結構選用地下連續墻，而臨時內支撐則采用混凝土支撐。施工時先打樁，再施做周圍地連墻，在開挖一層后便施做內支撐，隨后進行下一層的開挖。整個過程通過Midas/GTX軟件中的“激活”與“鈍化”指令來進行模擬施工過程中的各步驟。主要施工階段情況如下：

（1） A0：設置邊界條件，地應力平衡。

（2） A1：施加自身荷載，位移清零。

（3） A2：設立柱樁，深度達地下-22m。

（4） A3：設立地連墻，深度達地下-22m。

（5） A4：開挖第一層土，開挖基坑第一層土體至-2m。

（6） A5：施工第一道支撐，在-2m位置處設第一道圍檁和第一道混凝土支撐。

（7） A6：開挖第二層土，開挖基坑第二層土體至-7.1m。

（8） A7：施工第二道支撐，在-7.1m 位置處設第二道圍檁和第二道混凝土支撐。

（9） A8：開挖第三層土，開挖基坑第三層土體至-10.2m。

4 計算結果

4.1 地下連續墻應力分析

在工況A8開挖完成后，整個基坑開挖結束，地下連續墻的應力云圖如圖3 所示，并根據不同開挖步驟下地下連續墻的，繪制出變化曲線，如圖4所示。由圖4 可知，地下連續墻的水平位移隨開挖深度的變化而產生較為顯著的變化。基坑開挖深度越大，其最大側位移越大，地下連續墻最大水平位移均出現在基坑地連墻的拐角部以及較長邊的中部，其上部以及底部位移均偏小。分析原因，可發現基坑開挖后，墻后土體會產生不斷增長的土壓力，對于基坑壁也會產生較大壓力，而及時施工的支撐將會對地下連續墻頂部的位移產生一定約束。

圖3 工況A8地下連續墻水平位移云圖

圖4 各工況下地連墻水平位移最大值變化曲線

4.2 土體坡頂沉降分析

圖5所示為基坑開挖完成后坑頂土的豎向位移云圖。同時，各個工況下坑頂土的豎向位移曲線變化如圖6所示。從圖5和圖6可以得出，基坑正在開挖，并且尚未施做支撐時，坡頂沉降變化較大，而在支撐施加之后，坡頂沉降變化偏小，趨于穩定。這是由于在支護條件下所施加的支撐對土體產生了約束作用，限制了坑頂土體的豎向位移。

圖5 開挖完成后坑頂土豎向位移云圖

圖6 坑頂土最大豎向位移值變化曲線

4.3 地連墻隨深度的變形特征

圖7所示為地下連續墻水平位移隨基坑開挖深度加深的變化。由圖7可知，第一次開挖完成后，地下連續墻水平位移較小，且各個深度處的水平位移變化不大。而第二次與第三次開挖完成后，地下連續墻水平位移變化較大。說明隨著開挖深度的加深化，地下連續墻水平位移值發生的變化較為顯著，會逐漸增大。在開挖深度達到-10.2m時，位移達到最大值。

圖7 地連墻水平位移隨開挖深度變化曲線

5 結語

文中采用有限元分析軟件MIDAS/GTS，并結合工程實例，建立了基坑開挖的有限元分析模型并進行了計算分析，通過后處理功能提取相應的應變位移等數據，并詳細進行了地下連續墻的變形分析，和坡頂沉降分析，得到如下結論：

（1） 開挖深度變化對地下連續墻的應力值影響較明顯，但在地下連續墻嵌固深度范圍內變化較小。

（2） 地下連續墻的最大水平位移隨著基坑開挖深度加深逐漸增加，且最大水平位移對應的深度也隨之下降。同時，最大水平位移對應的位置均出現在基坑較長邊的中部以及大轉角處，而地下連續墻底部與中部出現的水平位移二者相差較大。

（3） 地面沉降量值受基坑開挖深度的加大也不斷增加，并顯示出一個明顯的“沉降盆”，即在距離基坑邊緣到達某一最大值，距離基坑越遠，地表沉降越小，這與工程實測數據具有相同的規律。