无水平支撑深基坑数值模拟分析

2014-04-15喻振贤陈玉禾

建材世界 2014年1期

喻振贤，陈玉禾

（1.中国十五冶金建设有限公司，黄石 435000；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070）

1 工程概况

WEGAGEN银行大楼位于埃塞首都亚的斯亚贝巴市中心，是一栋集办公、购物、餐饮为一体的高层建筑，工程用地面积2 263m2，建筑物占地面积1 900m2。基坑开挖面积约2 265m2，周长约192m，基坑开挖深度为13.07～13.67m。场地周边最大建筑物为12层住宅楼，基础与基坑距离较近。基础支护型式为人工挖孔灌注桩加预应力锚杆，共计134根。

2 埃塞俄比亚银行大楼深基坑开挖支护三维数值模拟

利用大型有限元软件MIDAS，考虑基坑的空间效应，对该工程进行3D建模分析，土体的计算范围在深度方向去基底以下2倍的开挖深度，宽度取开挖深度的2～3倍。对于土体的整个模拟过程采用弹塑大变形理论，破坏准则为摩尔－库仑准则。模型的具体计算范围为：东西×南北×上下＝90m×110m×30m。模型的坐标系采用直角坐标系，z轴为铅直方向，东西向为x轴，南北向为y轴。具体的计算网格模型见图1。而对于深基坑支护结构，首先将支护桩、冠梁、锚杆利用线单元进行代替，经过交叉分割，分别按照能使模型耦合的要求进行线映射网格，并赋予特性属性。将赋予属性的网格进行移动和复制，模拟出冠梁，围囹，支柱桩和锚杆模型中桩与土的模量相差很大，在两者界面上常伴随较大的剪应力，在桩与土之间应设置接触面单元［1－3］。围护结构的模型见图2。

3 模拟结果与分析

该工程在基坑边坡有较高荷载处设置8层锚杆，其余部位均为4层锚杆，按照实际施工工序以及运用合理的简化，将施工阶段分为6个施工工序，通过对土体单元以及结构支护单元进行添加或删减来模拟开挖和支护，并选取关键监测点处实际监测数值与数值模拟数值结果进行比较。具体开挖深度见表1，实际监测值见表2，表3。

表1 各施工工序对应的开挖深度

表2 实测监测点侧向位移

表3 数值模拟测点侧向位移

3.1 基坑开挖完成后侧向变形

通过对深基坑开挖的整体研究，了解基坑工程一个总体变化状况，对开挖完成后的深基坑进行数值模拟，侧向变形如图3，图4所示。

图3和图4合起来体现出了在数值模拟分析中，深基坑工程边坡位移以及深层土体的侧向位移规律。经过分析得出以下结论：1）在基坑表面，基坑的边坡位移量沿着边坡线有所变化，总体趋于一个稳定值；2）坑壁顶部的侧向位移大于坑壁底部，边坡位移在侧向位移中并不是最大，最大位移量出现在顶部以下的4～9m位置，而靠近基底的位移会逐渐减小。

对表2、表3以及图5、图6进行分析，通过将实际工程与有限元模型分析对比可以得出以下结论：

1）实际监测数据侧向位移平均值为10.31mm，数值模拟分析侧向位移平均值为17mm，虽有所差距，但是符合实际需求。

2）实际工程监测点测量数值与数值模拟分析数据有所差别，这可能与监测误差以及建模分析时模型简化有关。但是实际的总体趋势大致相同，都是随着施工的进行而逐步增大位移，在这方面两种方法具有非常高的吻合度。

3.2 基坑开挖完成后竖向变形

基坑竖向变形模拟如图7所示。

图7为整个基坑在z方向的位移，即基坑土体的沉降量图。从图7中得出以下结论：1）基坑开挖引起的沉降影响宽度为6.5m左右，并且基坑边坡的沉降量的最大值并不会出现在边缘线上，而是在离基坑距离1.3～3m处取得最大值；2）在基坑坑壁顶面，支护桩附近的土体基本没有沉降，这说明在基坑工程中，围护结构能够限制基坑外土体的沉降量随着到基坑侧壁距离的增大而逐渐增大，且中部沉降量大于基坑边角处的沉降量。

对表4、表5及图8、图9进行分析，可以从实际监测数据与有限元模拟结果对比后得出以下结论：