基坑开挖数值模拟——以杨泗港长江大桥汉阳侧锚碇为例

孙贤斌， 胡帅军， 石峻峰

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

基坑开挖数值模拟
——以杨泗港长江大桥汉阳侧锚碇为例

孙贤斌， 胡帅军， 石峻峰

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

针对杨泗港长江大桥汉阳锚碇基坑开挖各阶段的施工过程，基于Midas GTS NX三维有限元分析软件，建立基坑开挖三维有限元仿真计算模型。通过Midas软件计算此基坑各开挖阶段的周围土体以及地下连续墙的数值，分析各开挖部位的受力特点和变形特征，得出基坑开挖过程中的最不利位置，为施工方在基坑开挖过程中采取相应措施提供参考。

基坑开挖； 数值模拟； 土体沉降

1 工程概况

杨泗港长江大桥工程全长4.13 km，其中主桥段长1.7 km(两座桥塔之间距离)，汉阳岸接线长0.973 km，武昌岸接线长1.461 km。根据《武汉杨泗港长江大桥工程地质初勘报告》及部分详勘报告和资料，对本建筑场地，工程地质分述如下:汉阳岸锚碇处覆盖层中上部为全新松散或中密状粉、细砂，软塑状粉质黏土及流塑状淤泥质粉质黏土，厚约31～33 m，工程性能差；覆盖层中下部为硬塑-坚硬状黏土夹密实状圆土，工程性能好，厚约20～30 m；基岩埋深51～54 m，主要为白垩-第三系泥泥质砂岩、疏松砂岩。锚碇基础顶高程为24.0 m，基础底面高程为-15.0 m，地连墙底面高程为-35.0 m，基础深39.0 m，地连墙总深度59.0 m，地连墙入中等胶结泥质砂岩内约5 m。

2 有限元计算模型

2.1有限元模型的建立步骤

1)建立模型的有限差分网格，来定义所要模拟的几何空间。

2)定义本构模型和赋予材料参数，从而限定模型对于外界扰动做出的变化规律。

3)定义计算区域的边界条件、荷载、 初始条件，以此来定义模型的初始状态。

2.2计算区域及边界条件的确定

由于本深基坑面积较大,计算整个深基坑模型导致网格和节点过多,计算量大，使软件计算的速度缓慢,所以选取该基坑北侧的一段进行数值模拟，该段基坑深度39 m，根据工程实际经验，基坑开挖影响深度为开挖深度的 2～4 倍，影响宽度为开挖深度的3～4 倍，由此来确定模型的影响范围[1]。而对于计算域的边界,一般是这样考虑的:原则上此范围要达到基坑开挖结构受力后不再产生变位影响的边界为止[2]。

根据模型的对称性,取1/4模型做为最终的计算模型(图1)。计算模型的规模为105 257个单元。

图 1 杨泗港长江大桥基坑开挖1/4有限元模型

2.3计算参数

作为塑性材料，土体的计算参数有: 密度(density)、泊松比(ratio ) 、体积模量( bulk)、切变模量(shear)、黏聚力(cohesion)、摩擦角 (friction)、弹性模(elastic)、膨胀角 (dilation)， 其计算公式为

式中:K为体积模量；E为弹性模量；ν为泊松比；G为切变模量。计算过程选用参数见表1。

表1 地层力学性质参数取值

2.4计算工况

根据原施工方案将工程施工阶段分为27个阶段(图2)，施工过程中，基坑中心土体采用超开挖，超开挖深度为4 m。

图 2 施工阶段图

施工工况一：其施工步骤为施工完成地连墙及帽梁结构；完成基坑内预抽水试验，确认止水效果满足设计要求。工况二：基坑内降水至地下水位+19.0 m处，对自然地面至帽梁底标高范围内的土体进行机械开挖。工况三：完成帽梁高度范围内的土体开挖；基坑内继续降水至地下水位+16.0 m标高处，机械开挖第一层内衬环向4 m宽、3 m高的施工作业面区域土体。工况四：进行第一层内衬施工，同步完成第一层内衬高度范围内剩余土方机械开挖+17.0 m处，待第一层内衬砼强度达到设计值的80%后，基坑内继续降水至地下水位+13.0 m标高处，机械开挖第二层内衬环向4 m宽、3 m高的施工作业面区域土体。依次类推，直至开挖进行第十一层内衬施工，同步完成第11层内衬高度范围内剩余土方机械开挖-15.0 m处，并对基坑底进行全面清理整平处理，基坑顶面设置大型履带吊机挂5 m3料斗吊运渣土，汽车外运至弃土场。

3 数值模拟结果分析

3.1周围土体沉降分析

以基坑开挖的中心作为圆点，经过建模计算，首先，计算围护结构的位移曲线；其次，根据所求得的围护结构变形曲线，将其划分为上述三种基本变形模式，并确定三种基本模式的位移最大值[3]；最后，根据上文所求的对应于各种基本模式的经验公式，求解每一基本模式所对应的坑外深层土体任意点沉降值，并对三者进行叠加，从而才能求得坑外任意深度处土体的沉降值。从图3可以看到，地下连续墙外侧地面的沉降规律，最大沉降在距离地连墙3～4 m范围，最大值为2.41 mm。由于有限元模型在外侧土体与地连墙之间设置了接触单元，与实际情况符合，所以这个沉降分布比较符合通常的基坑开挖地连墙外侧地表沉降的规律[4]。此外，通过具体的工程实例对坑外土体深层土体沉降经验曲线进行了验证，得到了较为吻合的结果。

图3为地下连续墙外侧土体沉降量的变化情况，每个点值都是其对应施工阶段的最大值，可以看到最后一个施工阶段的沉降量最大，最大值为2.97 mm；第二个施工阶段(地下连续墙与冠梁的施工)由于对地表的扰动较大，沉降会有一个突变，这个阶段的地面沉降最大值为1.86 mm。

图 3 各个施工阶段周围土体最大沉降量

3.2地下连续墙分析

由于地连墙结构体系相当于一个竖直的悬臂梁，在土压力及地下水的作用下，在地连墙的根部会有较大的负弯矩[5]，根部外侧的拉应力会较大，但考虑实际情况，土体和基岩会有一定的变形，一部分应力会得到释放，实际的拉应力会比计算值小。

由图4可以看到，在土压力和地下水的作用下，地连墙在根部，也就是地连墙顶部向下59 m的位置负弯矩最大，意味着靠近土体一侧地连墙表面的拉应力最大。

图 4 地连墙根部负弯矩示意图

4 结论

以杨泗港长江大桥汉阳侧锚碇基坑开挖为研究对象，利用Midas GTS NX 对不同基坑开挖过程和支护方案进行数值模拟，得出了以下主要结论。

1)利用 MIDAS-GTS NX对杨泗港汉阳侧基坑工程建立了有限元分析模型，简述了建模区域的选择和建模的基本原则，选取建模所需的土层和支护结构的模拟参数，简介了本次建模的主要步骤[6]。考虑基坑实际开挖步序，数值模拟计算所得的基坑变形结果，基本能够较好的模拟开挖过程中的基坑工程变形特征，能够为基坑实际施工过程提供一定的参考价值。但考虑施工中的诸多不确定性因素，施工过程中应该注意加强现场变形监测工作，重视对于基坑水平位移及周边高大建筑物的沉降的监测[7]。

2)建立了基于Midas的基坑开挖数值模型,根据工程实例分析、 确定了计算参数、 计算单元、 边界条件,搭建了计算模型， 本次计算采用水土分算。

3)根据数值模拟的结果，开挖至基坑设计深度时，基坑周围土体的沉降最大为2.41 mm。地下连续墙在基坑底部：即施工阶段为第13层开挖土，最大值为3.303 MPa；最大压应力为出现在第13层未加内衬施工前的时候,最大值为15.468 MPa；最大变形为18.766 mm。

4)基坑底部隆起第27个阶段的最大值为28.7 cm，这个值是最终隆起量，在施工中不可能出现。

5)在基坑底靠近地连墙根部的位置，最大拉应力相对偏大，说明这个部位受力状况比较复杂，建议开挖时应注意增加支护结构。

6)从本次模拟分析的过程中可以看到，实际工程中对于有限元分析结果的合理利用，能够对设计与施工提供一定的指导和帮助，可以使工程的设计与施工更加合理[8]。

[1] 徐前卫,马险峰,朱合华,等.软土地基超深基坑开挖的离心模型试验研究[J].土木工程学报,2009,42(12):154-161.

[2] 王晓伟，童华炜.考虑深基坑坑角效应的支护结构变形计算[J].地下空间与工程学报，2011,7(3)：483-484.

[3] 郭力群，程玉果，陈亚军，等.内支撑基坑群开挖相互影响的三维数值分析 [J].华侨大学学报，2014,35(6)：712-715.

[4] 樊胜军,胡长明,刘振江.某深基坑施工期围护结构变形监测与数值模拟分析[J].施工技术,2010,39(9):82-84.

[5] 中国建筑科学研究院.JGJ120-2012.建筑基坑支护技术规程[S].北京: 中国建筑工业出版社,2012.

[6] 贺炜，潘星羽，张军,等,河心洲地铁车站深基坑开挖监测及环境影响分析[J].岩土工程学报，2013(S1) :478-483.

[7] 刘宝琛. 综合利用城市地面及地下空间的几个问题[J]. 岩石力学与工程学报, 1999(1): 109-111.

[8] 泮晓华，薛雷，涂杰楠，等．深基坑疏排桩锚与土钉墙水平联合支护数值模拟[J]． 工程勘察，2010(11) : 1-5．

[责任编校：张岩芳]

NumericalSimulationofExcavationA Case Study of Yangsigang Yangtze River Bridge Anchorage of Hanyang Side

SUN Xianbin, HU Shuaijun, SHI Junfeng

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This paper establishes a three-dimensional finite element simulation model for foundation pit excavation for the construction process of the excavation of Hanyang anchorage foundation of Yangsigang Yangtze River Bridge. The numerical analysis of the stress and deformation characteristics of each excavation site is carried out by Midas software, and the most unfavorable position in excavation process is obtained, which provide reference for the construction party to take corresponding measures in the excavation process.

foundation pit excavation; numerical simulation；soil settlement

2016-12-21

孙贤斌(1964-)， 男， 湖南华容人，湖北工业大学教授，研究方向为道路与桥梁

1003-4684(2017)05-0005-03

TU470

A