关于深基坑工程的数值仿真分析

韩冬梅,许经宇

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

1 工程概况

白沙滩泵站主泵房基坑最大深度为17m。该段主体结构总挖方量为15607m3，基底及基底以上至地表的地层都在强风化混合岩及以下地层，用机械直接挖取。

基坑围护采用预制板桩、钢板格子围堰或双层钢板桩，第一道支撑采用800×600混凝土支撑，其余采用Φ609×14钢管内支撑作为基坑支护结构，墙顶设冠梁。两侧钢板桩与双层钢板桩之间全部采用Φ609×14钢管斜支撑支护，基坑内最多处共设5道支撑。另外，钢支撑与围护桩之间节点设50a双拼工字钢围檩。本文采用有限元软件对该工程进行分析和计算，相关成果为以后工程提供类似经验。

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

(1)土体为均质、各项同性材料,各土层物理指标见表1。

(2)支撑为弹性材料，设置为梁单元[1]。

(3)钻孔灌注桩组成的支护排桩，其受力形式与地下连续墙相似，又由于桩顶冠梁连接加强了整体性，所以计算中便可以按桩墙抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地下连续墙进行内力分析。按照以前的经验证明，按等价的壁式地下连续墙设计，结果是偏于安全的、合理的[2]。

(1)

式中，h—连续墙的厚度；η—经验修正系数；D—支护桩的直径；L—桩心间距。

故取支护排桩有效厚度为1m，并假定为弹性材料，在二维模型中采用梁单元。支护结构参数见表2。

(4)土体的本构模型选择莫尔—库伦模型。

2.2 有限元网格划分及边界处理条件

地表沉降影响范围可达基坑开挖深度的5倍，主要影响区在开挖深度的1倍范围内，距开挖区1～2倍范围内为次要影响区，在确定边界时，一般取基坑开挖的影响深度为开挖深度的2～4倍，影响宽度开挖深度的3～4倍[3]。结合工程实际情况及围堰位移分析结果可知，沉降均未超过8mm，因此本文在数值模拟过程中不考虑围堰和波浪荷载作用。数值基坑模型长40m，宽30m。

在有限元模拟中，网格的划分精度及均匀性对计算结果会产生较大的影响。本工程二维网格划分路线是：首先利用映射网格K-线面功能划分基坑内部网格，定义单元尺寸为1m，并分别定义各土层属性；再利用自动划分网格功能划分基坑外部区域；然后对支撑及桩单元划分网格，分别定义属性[4]。

采用位移约束边界条件：地表面只有模型四周约束法相水平位移，底面约束(x，y，z)3个方向约束，如图1、2所示。

表1 各土层物理指标

表2 支护结构参数

图1 基坑二维有限元网格

2.3 定义荷载

(1)定义自重荷载：在荷载选项下选择自重，并定义Y方向自重系数为-1。

(2)定义超载：在荷载选项下选择压力荷载，定义基坑两侧土体为施加荷载区域，选择荷载方向，确认。

3 数值计算结果分析

泵站深基坑开挖过程中水平位移、沉降以及轴力在实际监测及施工过程中尤为重要，每个数值的改变都能反映出相应基坑开挖的安全与否，以下为有限元模型数值计算结果的分析与研究。

3.1 水平位移

由图2可以看出，在开挖完成时最大水平位移出现在转角1截面基坑边界20m深处，最大变形为23.89mm，在控制范围内。各截面水平位移随着深度的增加，总体呈现先增大后减小的趋势。基坑顶部由于支撑作用水平位移向基坑外侧偏移，底部由于土压力的作用强于支撑则向基坑内部偏移。

图2 开挖完成各截面水平位

3.2 基底竖向位移

由图3可以看出，基坑底部竖向位移随着开挖深度的增大而增大，最大位移出现在转角1截面第五步开挖完成时，最大隆起值为163.24mm，也在控制范围内。

图3 各截面不同施工阶段基地最大隆起值

3.3 支护结构轴力

由图4可知，支撑由上到下轴力成递增趋势，第5道支撑由于相对较短，所以出现了轴力变小的情况。最大支撑轴力出现在转角1的第4道支撑，其值为700kN，满足设计要求。

图4 各截面支撑轴力

4 结语

目前我国深基坑工程越来越多，且越发复杂，对深基坑变形的控制也越来越严格。本文以白沙滩泵站深基坑工程为例，利用Midas/GTS软件研究该工程施工过程中支护结构水平位移、基底隆起、支撑轴力等的变化规律，并得到以下结论：

(1)有限元Midas/GTS软件建立的工程模型很好地模拟了基坑开挖的过程，够使基坑施工变得可视化、信息化，可以为类似工程提供参考。

(2)随着施工的进行，土体不断被挖出，支护结构的深层水平位移不断增大，开挖面以上部分水平位移明显比开挖面以下部分大，由于支撑作用，桩体位移在支撑位置附近明显减小。

(3)基坑坑底隆起规律为两边小中间大，类似于倒扣的“盆”。可进一步通过现场监测数据对其计算结果的正确性进行验证。

(4)支撑轴力总体上呈由小变大并趋于稳定的变化规律。在多道支撑中从上到下轴力依次增大，其中靠近坑底的支撑轴力最大同时变化也较大。