周斌　李海濤

摘要：根據(jù)杭州某基坑項目，利用Midas/GTS軟件建立數(shù)值分析模型，模擬施工過程中不同施工階段的基坑動態(tài)信息，并與基坑實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，分析基坑施工安全可靠性及Midas/GTS在軟土地基基坑中的適用性，利用模擬數(shù)據(jù)完善監(jiān)測數(shù)據(jù)，對施工做出指導(dǎo).結(jié)果表明，結(jié)合模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)，基坑施工安全可靠，且模擬數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合度較高，驗證了Midas/GTS的適用性，可以利用軟件和監(jiān)測結(jié)合，對基坑施工進(jìn)行指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：有限元;數(shù)值模擬;軟土地基;深基坑;監(jiān)測

中圖分類號：TU443? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）09-0100-03

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析方法在工程中應(yīng)用廣泛.趙中椋通過Midas/GTS模擬三維基坑支護(hù)過程，為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析提供更有利的技術(shù)支持[1].高盟利用過FLAC3D建模來模擬深基坑工程開挖，對比有限元分析與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，為類似工程施工提供參考依據(jù)[2].程祖鋒以工程實例為背景，采用ABAQUS軟件對基坑的施工過程進(jìn)行分析，并討論及時有效的隧道保護(hù)措施[3].李磊等采用ABAQUS對地鐵深基坑的開挖施工進(jìn)行了模擬，分析了對維護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素，驗證圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性[4].姜波利用數(shù)值模擬分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，分析了基坑開挖時維護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素并提出合理建議[5].

本文以杭州某市政隧道基坑項目為背景，利用Midas/GTS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬所得地下連續(xù)墻位移、地表沉降、支撐軸力與工程實測數(shù)據(jù)對比，分析產(chǎn)生誤差的原因，為此工程或類似工程施工和監(jiān)測提供有益的指導(dǎo)性建議.

1 工程實例概況

1.1 概況

杭州市地鐵某線市政隧道位于車輛段用地范圍內(nèi)，市政隧道基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖寬度27.4m，長度123.2m，現(xiàn)狀地面標(biāo)高約為6.40～6.55m，開挖深度約為13.5m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系（第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，剩下兩道支撐均為鋼管支撐，鋼支撐參數(shù)φ609，t=16mm），插入比約為1.1.

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，市政隧道工程土質(zhì)自上而下分布情況見表1.

1.3 水文條件

根據(jù)鉆探揭露：勘探深度范圍內(nèi)地下水類型主要可分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水.根據(jù)詳勘測得潛水穩(wěn)定水位埋深為地面下0.00～4.20m，相當(dāng)于85國家高程4.08～7.86m，自然歷史條件下年水位變幅約為1.0～2.0m，潛水流速緩慢，對工程建設(shè)影響小;測得承壓水水位埋深1.45m，相當(dāng)于85國家高程5.45m.

2 Midas/GTS有限元分析

2.1 材料參數(shù)選擇

（1）為便于建模計算且使結(jié)果直觀，假定基坑施工影響范圍內(nèi)土體均為分層均質(zhì)水平分布杭州地區(qū)地下水含量豐富且地質(zhì)較特殊，故土體采用改進(jìn)摩爾-庫侖模型計算;

（2）對于鋼筋混凝土支撐、剛支撐均視為線彈性材料;

（3）地下連續(xù)墻的本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型.

2.2 施工階段分析

根據(jù)現(xiàn)場支撐實際施工情況，將整個基坑施工階段分為4階段，并利用Midas/GTS軟件施工階段助手來模擬該基坑施工過程，對其施工過程提出指導(dǎo)意見，保證基坑施工安全.施工階段劃分見表2.

2.3 有限元模擬結(jié)果

利用Midas/GTS軟件所以建立的市政隧道基坑模型圖見圖1，利用該模型求解所得結(jié)果見表3.

3 數(shù)據(jù)比較與分析

結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況與監(jiān)測數(shù)據(jù)，將模擬所得數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測所得數(shù)據(jù)對比分析，對現(xiàn)場施工做出指導(dǎo).在施工現(xiàn)場中，部分監(jiān)測點(diǎn)可能因施工原因?qū)е聼o法按時取得有效數(shù)據(jù)，利用有限元模擬做出準(zhǔn)確預(yù)判，可以以此作為施工依據(jù).

3.1 地下連續(xù)墻位移比對分析

在深基坑開挖過程中，基坑內(nèi)外的土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，這種改變將引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載并導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形，圍護(hù)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(jìn)而會使周圍鄰近建筑物及地下結(jié)構(gòu)遭受破壞[6].當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到控制變形的要求時，如果此時基坑變形仍過大，應(yīng)從別的方面找出原因，如果仍然盲目的增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，不僅不能有效的控制基坑開挖變形，還會造成資源浪費(fèi)、成本增加[7].這時可以結(jié)合數(shù)值模擬軟件與實測數(shù)據(jù)結(jié)合，驗證基坑安全性及如何提高基坑開挖過程中的安全.軟件計算所得數(shù)值與實測所得數(shù)值的比較見圖2，其中施工階段1基坑尚未開挖，作為初始階段，軟件計算過程中將其位移清零.

從上圖可以看出，用Midas/GTS軟件算得數(shù)據(jù)與工程實測數(shù)據(jù)吻合度較好.不論是計算所得地下連續(xù)墻最大位移還是實測所得地下連續(xù)墻最大位移，其值都在基坑施工控制范圍（40mm）內(nèi)，說明基坑施工安全.

施工階段2實測位移比計算位移大，其可能原因是在施工過程中，進(jìn)場的鋼支撐堆放在基坑周圍且周圍存在施工荷載，使得實測位移較計算值偏大.施工階段4可能是由于周圍存在少量施工荷載，使得實測值稍微偏大.施工階段5則是基坑即將進(jìn)入結(jié)構(gòu)施作階段，周圍存放了部分下一階段施工所需機(jī)械及材料，故實測位移較大.

3.2 地表沉降比對分析

在深基坑開挖過程中，基坑內(nèi)外的土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，會導(dǎo)致基坑四周的地表出現(xiàn)沉降，土體沉降的最大值出現(xiàn)在距離基坑邊緣的遠(yuǎn)端，而不是基坑的邊緣處，且離基坑的距離越大，沉降值也逐漸增大，到達(dá)一定距離后達(dá)到最大值[8].利用Midas/GTS軟件計算地表最大沉降值與實測值比較見圖3.圖中，實測值都較計算值偏大，與基坑周圍存在施工荷載有較大關(guān)系.此有限元分析因基坑施工過程中基坑周圍施工荷載不能確定而未考慮附加荷載，故計算值較實測值偏小是完全合理的.由圖3可見，有限元分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較吻合.基坑開挖過程中，基坑各側(cè)周圍地面2m范圍內(nèi)不應(yīng)增加附加荷載，2m范圍以外附加荷載不得超過20kpa.當(dāng)重型機(jī)械要在基坑邊作業(yè)時，施工單位應(yīng)采取專門的路面硬化或基礎(chǔ)處理措施，并提交設(shè)計單位進(jìn)行復(fù)核驗算.本基坑施工，基坑周圍沉降量都在控制范圍（30mm）內(nèi)，說明對周圍附加荷載控制較好.

3.3 最大混凝土支撐軸力比對分析

在某一施工時步，外荷載不變，土體應(yīng)力不增加，變形不斷增大，導(dǎo)致基坑變形和支護(hù)內(nèi)力升高，所以支護(hù)不及時引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力顯著增大，因此，支護(hù)時機(jī)的把握和利用支護(hù)形式是否合理對基坑的安全是非常重要的[9].Midas/GTS軟件計算的最大鋼筋混凝土支撐軸力與實測最大軸力比較見表4.由表4可見，有限元分析所得軸力與實測軸力還是比較吻合的.計算最大軸力比實測最大軸力小，這也反映了基坑施工過程中存在的復(fù)雜情況以及基坑頂部各側(cè)周圍的附加荷載.

4 結(jié)語

（1）通過Midas/GTS軟件有限元分析數(shù)據(jù)與實測的數(shù)據(jù)的對比分析，可以看出，有限元分析與工程實際吻合度較好，說明Midas/GTS在模擬基坑開挖過程中具有一定參考價值.在施工過程中存在部分監(jiān)測點(diǎn)被遮擋覆蓋等情況下，利用Midas/GTS進(jìn)行有限元分析，以此完善監(jiān)測結(jié)果，并且結(jié)果可靠度較高.

（2）從地下連續(xù)墻位移、地表沉降、支撐軸力比對分析，能夠看出基坑處于穩(wěn)定可控狀態(tài)，保證了施工的安全可控.對于需要重型機(jī)械要在基坑邊作業(yè)時，可以利用Midas/GTS進(jìn)行分析，其分析結(jié)果具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r值.

（3）本文嘗試建立的有限元模型僅考慮較常見且有據(jù)可依的施工影響因素，而對于復(fù)雜多變的施工情況，附加荷載，降雨降雪等條件并未考慮，如需要更精確的有限元分析，則需要更加細(xì)致地添加相應(yīng)現(xiàn)場施工條件因素.

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參考文獻(xiàn)：

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〔3〕程祖鋒，師歡歡，徐光兵.基于ABAQUS的深基坑變形和內(nèi)力三維有限元分析[J].煤炭工程，2013，45（09）：119-121.

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