孫 瑤

（長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢430074）

某深大基坑頂邊水平位移數(shù)值模擬研究

孫 瑤*

（長江三峽勘測研究院有限公司，湖北武漢430074）

采用MIDAS/GTS軟件，對某一深大基坑頂邊土體的水平位移進(jìn)行了模擬研究。模擬結(jié)果顯示，基坑開挖施工過程中，坑邊土體的最大位移發(fā)生在東西兩側(cè)坑邊中部，分別為12.1mm和11.5mm，而在南北兩側(cè)坑邊的水平位移卻相對較小。通過與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比，表明應(yīng)用MIDAS/ GTS軟件并根據(jù)前期工程勘察報告合理選取參數(shù)，不僅能夠有效評價基坑的穩(wěn)定性，還能預(yù)先了解基坑施工過程中坑外土體可能發(fā)生最大位移的位置，有利于提前設(shè)置安全防護(hù)措施并嚴(yán)密管理施工作業(yè)，保障施工人員和設(shè)備的安全。

基坑；坑邊土體；水平位移；數(shù)值模擬；現(xiàn)場監(jiān)測

1 概述

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)和人口數(shù)量不斷增長，高層與超高層建筑越來越多，相應(yīng)的基坑開挖工程也日益增多。在基坑開挖施工過程中，為了保證基坑與臨近建筑安全，除了采取必要的降水與支護(hù)工程措施外，還需要在基坑開挖過程中對相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。其中，基坑水平位移監(jiān)測能夠直接反映基坑邊坡的穩(wěn)定性，是指導(dǎo)基坑開挖的重要依據(jù)之一。因此，實(shí)時、準(zhǔn)確地監(jiān)測基坑水平位移的變化，對保證基坑開挖的施工安全具有重要意義[1-5]。此外，隨著數(shù)值模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，有限單元法（以下簡稱有限元）以其很強(qiáng)的適用性、易掌握性以及便于計(jì)算機(jī)編程等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在運(yùn)用有限元方法解決巖土工程技術(shù)問題時常用的方法有2種：總應(yīng)力有限元法和有效應(yīng)力有限元法。有限元法將問題用矩陣形式表達(dá)出來，便于編寫相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，并且能夠充分利用計(jì)算機(jī)高速、便捷、精確的優(yōu)勢[6-7]。因此，本文采用MIDAS/GTS軟件對某地一個深大基坑頂邊土體水平位移進(jìn)行模擬研究，為該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果評價提供技術(shù)支持。

2 工程概況

該基坑工程東西兩面有建筑物，南北面為市政路，開挖平面呈矩形，周長約535m，開挖深度為10m，支護(hù)形式有“放坡+鉆孔樁+攪拌樁+錨索”、“鉆孔樁+旋噴樁+內(nèi)支撐”和“放坡+鉆孔樁+攪拌樁+內(nèi)支撐”3種形式。根據(jù)前期工程勘察報告，勘探深度范圍內(nèi)的地層由上至下可劃分為4個單元層，分別為填土層（平均厚度2.63m）、沖積土層（平均厚度31.09m）、殘積土層（平均厚度7.63m）和基巖?；蝇F(xiàn)場共布設(shè)23個坑邊土體水平位移監(jiān)測點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 基坑坑邊土體水平位移監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

3MIDAS/GTS模擬分析

3.1 模型介紹

本模型是以該基坑實(shí)際情況為基礎(chǔ)并對其優(yōu)化后所建立的三維基坑開挖模型。模型結(jié)構(gòu)措施眾多，有內(nèi)支撐、圍護(hù)樁、雙排樁、冠梁、腰梁、立柱、預(yù)應(yīng)力錨索等，且由于基坑跨度比較大（該基坑最長跨度163m，最寬跨度112m，呈一刀形），所以在模擬計(jì)算單元的劃分上采取了非致密網(wǎng)格劃分法，以避免最終因網(wǎng)格數(shù)太多而無法計(jì)算。在文獻(xiàn)調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際對結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行了一定的簡化。首先，通過剛度折減法將圍護(hù)樁和雙排樁等效為相應(yīng)的地下連續(xù)墻；其次，對結(jié)構(gòu)措施的參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整以方便后續(xù)模擬計(jì)算。

根據(jù)MIDAS/GTS軟件的變量設(shè)置要求對基坑參數(shù)做了如下優(yōu)化：

（1）對基坑邊線進(jìn)行了規(guī)則化，使基坑平面圖幾何規(guī)則，但與實(shí)際情況相差不大。

（2）對基坑內(nèi)的土層參數(shù)和分層進(jìn)行了優(yōu)化。首先，確定坑內(nèi)各土層的平均厚度，并將與最上層填土層性質(zhì)相差不大的稍薄粉質(zhì)粘土層與填土層合并為第一層土層，將較厚的淤泥質(zhì)土設(shè)為第二層土層直到坑底，將全風(fēng)化巖設(shè)為坑底以下的第三層土。

（3）對于混凝土沖孔樁和雙排混凝土攪拌樁，建模時均采用剛度折減法將其等效為地下連續(xù)墻，采用板單元進(jìn)行模擬。

（4）對于立柱，因?qū)嶋H中采用角鋼組，鑒于支撐的參數(shù)和角鋼組捆綁后的性質(zhì)，將立柱等效為同徑圓柱形立柱。

所得到的源模型三維網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)措施如圖2和圖3所示。

圖2 基坑源模型三維網(wǎng)格

圖3 基坑開挖完成圖（所有結(jié)構(gòu)措施已添加）

3.2 模型構(gòu)成要素參數(shù)選取

模型中的土體單元視為摩爾—庫倫彈塑性材料，支撐、冠梁、腰梁等因?yàn)槎际腔炷两Y(jié)構(gòu)，采用梁單元，視為各向同性的線彈性材料，等效的地下連續(xù)墻采用板單元。模型中共有3層土體，由上到下分別是填土、淤泥質(zhì)土和強(qiáng)風(fēng)化的粉砂巖。梁單元均是采用C30混凝土。模型計(jì)算具體參數(shù)設(shè)置如表1和表2所示。

針對基坑的抗拉預(yù)應(yīng)力錨索，由于其含有自由段且存在預(yù)應(yīng)力，具有明顯的非線性效應(yīng)，因此，自由段是不與土體耦合的。結(jié)合實(shí)際情況，采用一維桁架單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索，使用GTS提供的錨建模助手來進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索的建立，在錨索的自由度與錨固段添加預(yù)應(yīng)力，同時在連接錨索的冠梁和腰梁上施加相應(yīng)的均布荷載來平衡，均布荷載換算成力要和預(yù)應(yīng)力大小相同，但方向相反。經(jīng)過計(jì)算，將預(yù)應(yīng)力錨桿彈性模量設(shè)置為2×105MPa，等效桁架截面積設(shè)置為1.374×10-4m2，長度均取46m。

3.3 模擬結(jié)果與分析

通過MIDAS/GTS軟件分別模擬計(jì)算了該深大基坑在南北方向和東西方向上的坑邊土體水平位移情況，并對兩個方向耦合作用下坑邊土體水平位移最危險位置進(jìn)行了數(shù)值分析。

由于基坑西邊不規(guī)則轉(zhuǎn)折處和東部坑邊水平位移較大，加之其他部位施工過程中的震動傳遞，易導(dǎo)致土體剝落，影響施工安全。因此，在基坑施工過程中，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測轉(zhuǎn)折處和東部坑邊的土體表觀形態(tài)變化，并在基坑內(nèi)部采取合理的防護(hù)措施，以避免土體滑塌而引起安全事故。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表3 基坑邊緣最大水平位移實(shí)測值

4 實(shí)測驗(yàn)證

在現(xiàn)場布設(shè)的23個坑邊土體水平位移監(jiān)測點(diǎn)中，由于安裝、施工等原因，CX13、CX15和CX16監(jiān)測點(diǎn)沒有獲取正常數(shù)據(jù)，故只獲得了其他20個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)?？舆呁馏w水平位移實(shí)測結(jié)果如表3所示，其中，正號表示水平位移方向指向基坑內(nèi)部，負(fù)號表示水平位移方向指向基坑外部。

由表3可見，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的吻合，表明采用MIDAS/GTS軟件對該基坑進(jìn)行的三維建模和參數(shù)選取是比較合理的，同時也表明基坑整體支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了很好的安全防護(hù)作用，對于今后類似地質(zhì)條件下的其他基坑工程的相關(guān)數(shù)值模擬研究具有較好的參考意義，有利于保證基坑施工安全和降低事故率。

5 結(jié)論與建議

采用MIDAS/GTS軟件對該深大基坑坑邊土體的水平位移模擬計(jì)算結(jié)果顯示，基坑開挖施工過程中，沿基坑長邊走向的方向上，坑邊土體的最大位移發(fā)生在東西兩側(cè)坑邊中部，分別為12.1mm和11.5mm，在施工中應(yīng)對東西兩側(cè)坑邊予以格外重視，而在南北兩側(cè)坑邊的水平位移卻相對較小，模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)較好吻合。由此可見，根據(jù)前期工程勘察報告合理優(yōu)化基坑各組成部分的參數(shù)設(shè)置，通過MIDAS/ GTS軟件能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)先評價基坑邊緣土體的水平位移情況，進(jìn)而對基坑支護(hù)措施作出相應(yīng)的評價，有利于優(yōu)化基坑開挖方案和支護(hù)措施，保證基坑施工安全，降低事故發(fā)生率，節(jié)省工期和成本。在今后的基坑工程中，尤其是深大基坑的施工，結(jié)合現(xiàn)有數(shù)值模擬技術(shù)，需深入研究基坑各構(gòu)成要素的參數(shù)優(yōu)化，從而使數(shù)值分析結(jié)果更接近實(shí)際、更可靠。

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U231.4

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1004-5716(2015)10-0176-04

2015-04-08

2015-05-04

孫瑤（1982-），男（漢族），河南周口人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察與工藝技術(shù)工作。