超深基坑支护结构变形与轴力的三维有限元分析

范蓬震 高 仓 马 祥

陕西建工第九建设集团有限公司 榆林 719000

1 工程概况

济南西客站地铁1号线基坑长207.05 m，标准段宽、开挖深度分别为21.40 m、18.58 m；盾构段宽、开挖深度分别为25.30 m、18.58 m，±0.00 m相当于绝对高程30.36 m，属于深基坑工程（图1）。

图1 济南西客站平面规划示意

基坑采用钻孔灌注桩（φ1 000 mm@1 500 mm，桩长22.88 m，混凝土强度等级为C30）加高压旋喷桩止水帷幕加3道钢管内支撑的支护方式；内支撑标准段采用3道钢管对撑体系，盾构段采用3道钢管斜撑体系，钢管支撑设活动端头，以便施加预应力，预应力为钢支撑轴力设计值的30%（第1、2、3道钢支撑轴力设计值分别为1 000 kN、2 000 kN、1 500 kN），第1道内撑采用φ609 mm（厚度t=12 mm）钢管支撑，架设点距桩顶2.10 m；第2、3道内撑采用φ609 mm（厚度t=16 mm）钢管支撑，架设点分别距桩顶8.35 m、14.88 m；混凝土冠梁的强度等级为C30，截面为1 000 mm×800 mm，腰梁为钢腰梁（普通热轧45b#工字钢）。

2 深基坑有限元计算模型

2.1 模型计算参数的选取

1）本模型土体采用SOLID45实体单元，冠梁与支护结构采用BEAM4单元，钢支撑采用LINK8单元。基坑周边土体采用弹塑性本构模型，选用Drucker-Prager屈服准则，钻孔灌注桩、圈梁和钢支撑结构均采用弹性本构模型。土层从上往下依次为素填土、粉土、粉质黏土、中砂。

2）支护结构：将支护排桩简化为地下连续墙，其厚度按照等效刚度原则确定，推算出等效后的地下连续墙厚度为0.73 m；混凝土强度等级为C35，密度ρ取2 500 kg/m3，泊松比v取0.18，弹性模量E取3.16×1010Pa。

3）支撑体系：钢支撑φ609 mm（厚度t=12 mm或t=16 mm），弹性模量E取2.06×1011Pa，泊松比v取0.31。

2.2 模型建立

在深基坑工程的有限元模拟过程中，基坑开挖影响宽度一般取开挖深度的3～4倍，影响深度一般取开挖深度的2～4倍。故本文选择的模型大小为(3H+L/2)×(6H+B)×3H，即 ：159.27 m×132.88 m×55.74 m，其中，深基坑尺寸为L×B×H，即：207.05 m×21.40 m×18.58 m。

2.3 深基坑开挖、支护工况模拟

1） 工况1：开挖第1层土方，挖至标高-3.10 m处；

2） 工况2：施工混凝土冠梁及安装第1道钢管支撑（-2.10 m处，每6 m一根），并施加预应力；

3） 工况3：开挖第2层土方，挖至标高-9.35 m处；

4） 工况4：施工钢腰梁及安装第2道钢管支撑（-8.35 m处，每3 m一根），并施加预应力；

5） 工况5：开挖第3层土方，挖至标高-15.88 m处；

6） 工况6：施工钢腰梁及安装第3道钢管支撑（-14.88 m处，每3 m一根），并施加预应力[1-4]；

7） 工况7：开挖第4层土方，挖至标高-18.58 m处。

3 有限元模拟结果分析

3.1 桩体水平位移分析

在不同工况下支护结构水平位移的位移云图如图2～图5所示。

图2 安装完第1道钢支撑

图3 安装完第2道钢支撑

图4 安装完第3道钢支撑

图5 开挖至坑底

分析得出：安装完第1道钢支撑时，最大位移为11.91 mm，位于桩体-10.53 m位置处；安装完第2道钢支撑时，最大位移为12.46 mm，位于桩体-12.29 m位置处；安装完第3道钢支撑时，最大位移为14.38 mm，位于桩体-14.05 m位置处；开挖至坑底时，最大位移为18.19 mm，位于桩体-15.81 m位置处。以上模拟数据与实测数据基本一致，且均小于桩体水平位移警戒值：0.4H%或45 mm（二者取较小值，H为基坑开挖深度）。

将计算工况7的模拟数据与基坑开挖至坑底时实测点ZXS、ZXE2、ZXE4的实测数据进行比较分析，如图6所示。由图可以得出：

图6 计算值与实测值对比分析

1）有限元模拟分析得到的位移曲线与实测结果基本一致，均呈现“大肚子”形状，虽然三维模拟结果与实测值存在一定的差异，但是模拟曲线所反映的趋势与实测曲线较为接近。

2）模拟值的上部位移明显小于实测值，这是由于基坑在土方开挖后没能及时安装钢支撑，使得监测值偏大，而模拟计算时能更好地遵循“随挖随撑”原则，故基坑暴露时间几乎没有，所以模拟计算的支护桩上部的位移相对较小，由此可以看出，应用有限元软件进行模拟分析对于基坑工程变形理论的研究具有很大意义[5,6]。

3.2 钢支撑轴力分析

在基坑安装完第1道、第2道、第3道钢支撑及开挖至坑底4种工况下，3道钢支撑的轴力变化云图分别如图7～图10所示。

由图分析可以看出：基坑安装完第1道钢支撑后，其轴力最大值为418.15 kN；安装完第2道支撑后，第1道钢支撑的最大轴力增至623.15 kN，此时第2道钢支撑的轴力最大值为634.52 kN；安装完第3道支撑后，第1、2道钢支撑的最大轴力分别增至725.85 kN、1531.15 kN，此时第3道钢支撑的轴力最大值为621.15 kN；土方挖至坑底时，第1、2、3道钢支撑的最大轴力分别增至831.36 kN、1 894.15 kN、1 442.42 kN。

将实测点ZC1、ZC6的轴力计算值和实测值进行对比，如图11、12所示。

由图可以得出：钢支撑轴力的计算值整体比实测值偏大，产生这一现象的主要原因有以下几点[7-9]：

图7 安装完第1道钢支撑

图8 安装完第2道钢支撑

图9 安装完第3道钢支撑

图10 开挖至坑底

图11 测点ZC1计算值与实测值对比

图12 测点ZC6计算值与实测值对比

1）每道支撑在支撑前为了便于安装施工，土方均超挖约1.00 m，导致支撑前基坑支护结构就已产生了一定的位移，钢支撑施加预应力使支护结构产生向基坑外位移的水平作用力，使轴力减小；

2）基坑施工过程中存在机械的扰动，使得钢支撑轴力变小；

3）钢支撑轴力监测时间主要处于夏季，济南地区夏季日平均温度为25 ℃，钢支撑长期处于高温再加上支撑自身重力的影响，使得钢支撑产生变形，支撑端部与钢腰梁发生偏移，致使二者不完全接触，从而使得轴力变小。虽然支撑轴力计算值大于实测值，但大小较为接近，且二者变化趋势比较一致，进一步说明对于对称分布的深基坑，采用ANSYS对其进行数值模拟时，建立1/2深基坑模型的思路是正确的[10,11]。

4 结语

1）在济南西客站轨交1号线深基坑工程施工中，应用ANSYS软件并采用等效刚度、建立1/2基坑模型等原则，极大地简化了模拟过程，节约了计算时间，取得了与实测值相吻合的计算结果，为类似地质条件下的深基坑工程有限元分析研究提供了一定的指导，具有一定的借鉴意义。

2）应用ANSYS软件对深基坑进行支护桩体水平位移模拟分析时，桩体上部模拟值一般小于实际位移值。因此，在设计阶段采用ANSYS软件对深基坑桩体位移进行预测分析时，应对桩体上部位移分析结果进行修正，从而对桩体上部进行补强设计。

3）应用ANSYS软件对深基坑支护结构支撑轴力模拟分析时，支撑轴力模拟预测值比实际值偏大。因此，在设计阶段采用ANSYS软件对支撑轴力进行预测分析时，应对轴力模拟计算值进行修正，避免造成不必要的经济浪费，从而最大限度地降低工程造价。

4）应用ANSYS软件建立基坑模型进行模拟计算时尚无法完全模拟工程实际情况，致使模拟结果与实测结果存在一定的差距，应用ANSYS进行深基坑工程的全仿真模拟还需进一步研究探讨。