基于Midas GTS的基坑围护数值模拟及变形分析

洪 昇

上海建浩工程顾问有限公司 上海 200030

本文采用Midas GTS软件模拟了某深基坑工程不同工况下的基坑开挖和支护施工阶段，分析了其围护桩受力和坑外桩周土位移随桩体嵌固深度、排桩形式以及土体压缩模量的变化特点，并结合实际监测数据，说明了本次模拟具有可靠性，验证了围护方案的可行性，可为类似施工的指导提供一定的参考[1-4]。

1 工程概况

某项目位于杭州市余杭区，用地面积约为132 918 m2，总建筑面积约428 022 m2。地块自东向西约为600 m，南北约为300 m，开挖深度为10 m。拟建场地周边环境较为复杂，分布有已建的商办楼、住宅小区、学校等。本工程距周边道路也较近，特别是场地北侧还分布有地下管线，如燃气、雨水、电力、通信等各类市政管线。

综合考虑本工程场地地质条件、基坑开挖深度，在基坑围护设计时，确定对本基坑西侧采用钻孔灌注桩（局部双排桩）结合1道钢筋混凝土角撑的围护方案；对基坑东侧采用钻孔灌注桩结合1道钢筋混凝土对撑、角撑的围护方案；对基坑中部采用钻孔灌注桩双排桩结合1道混凝土斜支撑的围护方案。围护桩背后均采用三轴水泥搅拌桩止水止淤，对基坑西侧及双排桩区域坑底被动区加固，基坑内砂质粉土分布区域采用管井降水（图1）。

图1 基坑平面示意

本工程围护桩采用钻孔灌注桩，桩径0.9或1.0 m，单排桩区域桩间距分别为1.1、1.2 m，局部双排桩区域桩间距分别为2.2、2.4 m。桩身混凝土强度等级为C25，水灰比0.50～0.55，坍落度180～220 mm。本工程应用进口的φ850 mm@600 mm三轴水泥搅拌桩机湿法作业，采用套接一孔法施工。

2 Midas GTS建模及计算

Midas GTS是岩土和隧道工程有限元分析软件，可便捷实现复杂模型在静动荷载作用下的响应分析，包括施工阶段、渗流、动态边坡稳定、固结、动力分析等功能。

本文基于Midas GTS进行数值模拟分析，主要结合基坑工程开挖的特点，选取摩尔-库伦模型模拟土体本构，支撑及围护桩采用弹性模型。因工程项目中采用钻孔灌注桩作为地下连续墙，故需作等效处理，原理如下：设排桩中心间距为t，钻孔灌注桩直径为D，则单根排桩可等效成长为D＋t的地下连续墙，并设等效地下连续墙墙厚为h，则二者按等刚度原则可等效为：(D＋t)h3/12=πD4/64，其中，h=0.838D·[D/(D＋t)]1/3。

2.1 模型参数

采用Midas GTS软件对基坑开挖进行施工阶段模拟，其中岩土体物理力学参数的选取对模拟有着重要的影响。根据现场岩土勘察资料、室内试验数据及施工方案，模拟区域岩土参数及基坑围护结构参数详见表1、表2。

表1 地层岩土参数

表2 支护结构参数

2.2 模拟工况

根据基坑围护参数和岩土参数，结合实际施工条件，制订了表3中共12种模拟工况，以对比研究围护桩嵌固深度、双排桩及土体压缩模量变化对基坑围护变形的影响。

表3 模拟工况说明

2.3 网格划分及建模

根据实践经验，基坑开挖的影响宽度一般为基坑开挖深度的3～4倍，其影响深度一般为开挖深度的3～4倍。本项目开挖深度为10 m。根据本工程的特殊情况，长宽尺寸较大，土质较差，并考虑计算机配置的要求，选择具有代表性的区段进行二维数值模拟（图2）。整个模型有限元尺寸为300 m×60 m。

图2 基坑二维模型

模型边界条件可以采用软件自动设置的地基边界：两侧水平方向约束，底面水平方向和竖直方向约束。模型自重在模型y方向设置－1，则表示为受到1个重力加速度g，方向竖直向下。

2.4 施工阶段模拟

在建模完成后，Midas GTS可以通过激活、钝化网格组进行基坑开挖支护施工模拟。现就不同工况的施工模拟步骤加以说明。

1）工况1：第1步初始应力计算，施加地基边界条件和重力，激活所有土体网格单元，并进行位移清零；第2步激活基坑单排围护桩，并进行位移清零；第3步开挖3 m，钝化该标高以上开挖区域土体网格组；第4步开挖至6 m，钝化该标高以上开挖区域土体网格组；第5步开挖至10 m，钝化该标高以上开挖区域土体网格组。

2）工况2～5、工况10～12：与工况1相比较，第1、2步中激活对应的土体、围护桩和格构柱外，在第4步改为支撑施工并开挖至6 m，激活支撑并钝化该标高以上开挖区域土体网格组；其他步骤相同。

3）工况6～9：与工况1相比较，第2步中的单排围护桩改为双排围护桩；其他步骤相同。

3 数值分析及结果

3.1 模拟与实测比较

工况2是本项目实际工况的模拟，对工况2与坑外测斜管监测数据进行比较（图3），模拟曲线与实际监测曲线最大水平位移偏差为8.7%（2 mm），且曲线样式基本一致，对于复杂岩土模拟来讲，本次建模具有较好的可靠性。

图3 工况1～2、CX34桩侧土水平位移

此外，据图3中工况1和工况2比较，可以看到无支撑时，坑外土体水平位移达到68.9 mm，土体早已破坏，工况2最大位移为23.3 mm，满足要求。

3.2 嵌固深度影响分析

作为挡土结构，地下连续墙嵌固深度需满足各项稳定性和强度要求。在软土地层中，地下连续墙在基底以下的嵌固深度一般接近或大于开挖深度方能满足稳定性要求。工况2～5围护桩长分别为24、26、28和30 m，基坑开挖深度为10 m，则工况2～5围护桩嵌固深度分别为14、16、18和20 m（图4、图5）。

图4 工况2～5桩侧土水平位移

图5 工况2～5围护桩弯矩

从图4可知，随着嵌固深度的增大，桩侧土最大水平位移逐渐变小，嵌固深度每增加2 m，水平位移变化幅值约0.86%，变化幅度甚小，说明当围护嵌固深度达到24 m时，继续增加嵌固深度对桩侧土水平位移影响较小。此外，工况2～5的桩侧土水平位移曲线在－13 m处出现拐点。在－24～－13 m，位移值较小，变化幅度较小；在－13～0 m，桩侧土水平位移迅速增大，变化幅度较大。当基坑开挖，土体卸荷，坑外围护桩侧土体向坑内方向倾斜挤压，围护桩承受主动土压力，开挖区深度范围内土体水平位移明显增大。

从图5可知，随着嵌固深度的增大，围护桩最大弯矩基本不变，但在坑底深度以上桩段，围护桩最大弯矩随着嵌固深度的增大而减小，减小幅度随着嵌固深度的增大而增小。最大弯矩位于－3 m处，即第1道支撑位置，符合一般规律。

综上所述，当嵌固深度达14 m时，继续增大嵌固桩长对减少围护桩侧土体最大水平位移及围护桩最大弯矩影响甚小；且桩长增加必然造成施工成本的增加。故工况2较工况3～5优，本项目实际工程中，采用24 m围护桩合理。

3.3 排桩影响分析

双排支护结构是沿基坑侧壁排列设置的由前、后两排支护桩和梁连接成的支挡结构。工况6～9采用双排支护形式，坑内未设置横向支撑（图6、图7）。

图6 工况6～9桩侧土水平位移

图7 工况6～9围护桩弯矩

从图6可知，随着前后排桩间距增大，桩侧土的最大水平位移逐渐变小，其位置沿深度方向逐渐增大。前后排桩间距每增加1 m，桩侧土最大水平位移减小幅度越来越小。工况6～9中，减小幅度依次为14.3%、8.8%和5.3%。此外，图中曲线在深度－13 m处，显出与图4相似的特征，此处不再赘述。从图7可知，随着前后排桩间距增大，围护桩最大弯矩逐渐增大，前后排桩间距每增加1 m，围护桩最大弯矩增大幅度值越来越小。工况6～9中，增大幅度值依次为8.7%、4.0%和1.7%。

综上所述，随着前后排桩间距增大，桩侧土最大水平位移逐渐变小，而围护桩最大弯矩逐渐增大，且二者变化幅度越来越小。桩侧水平位移小，说明基坑越安全；桩内弯矩大，则对围护桩结构构造要求高。此外，基于场地条件、红线位置，排桩间距受限。故综上考虑，采用3～4 m作前后排桩间距较适宜。本项目实际工程中，采用3.6、4 m排桩间距合理。

3.4 土体压缩模量影响分析

压缩模量对土体变形有着十分重要的影响。工况10～12对比工况2，通过改变压缩模量来分析其对土体变形及围护桩弯矩的影响（图8、图9）。

图8 工况2、工况10～12桩侧土水平位移

从图8可知，随着土体压缩模量的增大，桩侧土最大水平位移逐渐变小。土体压缩模量每增加2 MPa，桩侧土最大水平位移减小幅度随着越来越小。工况2、工况10～12，减小幅度依次为28.4%、23.3%和20.0%。

从图9可知，随着土体压缩模量的增大，围护桩最大弯矩逐渐减小，土体压缩模量每增加2 MPa，围护桩最大弯矩减小幅度值亦随着越来越小，且最大弯矩位置发生变化，工况2中，最大弯矩位置为桩深－13 m处；工况10～12，最大弯矩位置为桩深－3 m处。

图9 工况2、工况10～12围护桩弯矩

综上所述，随着土体压缩模量的增大，桩侧土最大水平位移逐渐变小，围护桩最大弯矩逐渐减小，且二者变化幅度也越来越小。说明通过一定手段改善坑外土质，增大其压缩模量，可减少土体及围护桩变形。

4 结语

1）本工程采用Midas GTS对深基坑进行二维数值模拟，可分析不同工况下围护桩嵌固深度、排桩形式及土体参数，对桩周土体位移及基坑围护桩受力影响，同时结合实测数据，说明模拟具有可靠性，验证了方案的可行性。

2）模拟结果表明：超过一定深度后，继续增加围护桩嵌固深度，对基坑围护桩受力和桩周土变形影响较小，且桩长的增加，必然造成施工成本的增加。对桩体锚固深度的研究，为围护桩长方案的比选提供了一定的依据。

3）在一定间距范围内，双排桩间距的增大可减少土体水平变形，但围护桩身内力也会增加。综合考虑场地条件、围护桩设计构造要求及成本、土体变形控制因素，对双排桩间距的研究具有一定的指导意义。

4）随着土体压缩模量的增加，土体变形及围护桩最大内力都会减小。通过一定手段改善坑外土质，可增加基坑围护结构的稳定性。