基于Midas的双层内支撑深基坑有限元分析

2020-03-11董桂红钱雪鑫

人民珠江 2020年2期

董桂红，钱雪鑫

(1.云南省建筑科学研究院，云南昆明650223；2.昆明市建筑工程结构安全和新技术重点实验室，云南昆明650223； 3.云南省建筑结构与新材料企业重点实验室，云南昆明650223)

随着城市建设的发展，大型建筑迅速崛起，城市高层建筑、地铁工程、市政道路立交桥促使基坑的开挖越来越深[1]。基坑工程是一个综合性很强的过程。深基坑工程具有开挖面积大、开挖深度深、形状复杂、支护结构多样性和周边环境保护要求严格等特点[1]。基坑支护结构内力和变形超过可控范围时就会对基坑以及周边的结构和部分设施造成影响，严重时可能会对地下基础产生破环作用，造成安全事故[2]。有限元数值模拟能够很好地模拟基坑开挖支护的全过程，可为实际施工中提供位移和内力预测数据，从而能有效防止基坑事故的发生[3-4]。李明瑛等[5]运用Midas软件对基坑工程进行了三维模拟，分析基坑土体竖向最大沉降的分布规律。赵中椋[6]同样运用Midas对基坑支护进行三维数值模拟，并对基坑的侧向位移、支护结构的应力应变以及周边建筑物的沉降进行分析。何明[7]分别用二维建模和三维建模的方式对基坑开挖进行模拟，并对基坑的支护方案进行了讨论。现以昆明某深基坑工程作为研究对象，利用有限元软件Midas GTS NX建立基坑开挖三维数值模型，对基坑开挖过程中的周边土体变形以及支撑内力进行分析，并且与现场监测数据进行对比，为变形控制设计与工程监测提供依据。

1 工程概况

项目位于昆明市，其西侧紧邻稻香巷，南侧紧邻人民东路。工程主要包括1幢29F、1幢15F建筑及2幢3F商业，建筑结构形式为框架剪力墙，整体设有三层地下室[8]。基坑支护方式采用：上部放坡+旋挖钻孔灌注桩+钢筋混凝土内支撑”的支护体系。止水方案采用：支护桩间增设三重管高压半圆旋喷桩止水帷幕+支护桩外加长螺旋深层搅拌桩连接成止水帷幕[8]。场地标高介于1 893.58～1 895.01 m之间，最大相对高差1.43 m，基坑开挖深度为13.85～14.50 m。基坑开挖周长约372.00 m[8]，基坑安全等级一级。基坑平面见图1，基坑支护见图2。

2 模型参数

2.1 计算假定

由于基坑工程施工现场复杂，情况多变，完全根据实际施工过程模拟是不现实的[9]。为了分析得到深基坑施工过程中支护结构及土体变形、受力特性，数值模型主要基于如下假定。

a) 土体采用连续均质、各向同性的弹塑性材料，土体本构模型采用能区分加载及卸载工况，并且能考虑土体开挖压缩硬化及剪切硬化行为的修正-摩尔库伦理想弹塑性模型，地下连续墙、灌注桩(立柱桩)、格构柱、内支撑、冠梁、腰梁等结构单元采用线弹性模型[10]。

b) 开挖前岩土体的初始应力场，按照自重应力场方式考虑，且土体的OCR=1.0(在初始应力状态下)[10]。

c) 因建模区间范畴内地下水位较低(处于基坑影响范围外)，故不考虑施工过程地下水位变化对土力学参数的影响。

图1 基坑平面示意

图2 基坑支护示意(mm)

2.2 计算参数

根据地勘报告提供的岩土体物理力学指标建议值与钻孔资料，结合工程实际情况及与其他工程类比，对计算中所用到的岩土体物理力学参数进行取值。基坑工程施工场地在计算模型范围内分布的地层主要有素填土、粉质黏土、圆砾、粉砂等土层，计算模型中把这些地层分为上述8层，其物理力学参数可见表1。

地下连续墙(等效)、冠梁、腰梁、立柱桩、内支撑等结构采用线弹性本构模型，混凝土等级按C30考虑，护坡按C15考虑，模型中土体采用三维实体单元，内支撑、冠梁、腰梁、灌注桩等采用梁单元，锚杆采用植入式桁架单元[11]。上述结构单元采用线弹性本构模型，具体计算参数见表2。

表1 土体计算参数

表2 结构计算参数

2.3 计算荷载及边界条件

模型荷载及边界条件的设置，主要借助于GTS NX软件中的“荷载”及“约束”功能实现[12]。针对此分析模型，基坑施工过程中的主要荷载包括：①各个土层的重力(基坑开挖过程的荷载释放)；②支护结构的重力；③地面超载。地面超载值取q=20 kPa。

另外，模型边界条件主要针对土体，土体沿着整体坐标系X、Y、Z轴方向上有平动自由度，模型的边界具体设置为：①沿X轴方向上的左右边界，约束X向的平动自由度；②沿Y轴方向上的前后边界，约束Y向的平动自由度；③约束有限元模型底部的Z向平动自由度；④模型顶部面为地表面，不施加任何的约束[12]。

根据有限元分析的基本原理和类似项目的工程经验，模型尺寸需要在基坑工程尺寸上作一定延伸，以便于减少边界效应的影响[13]。基坑开挖在水平向的影响范围为基坑开挖边界外3～5倍开挖深度，而竖向的影响范围则为基坑底部向下2～4倍开挖深度。综合考虑基坑实际情况后，建立整体三维模型尺寸为240 m×223 m×40 m(长×宽×高)。坑内单元网格尺寸取为2.5 m，外侧土体单元网格尺寸取为7.5 m(3倍坑内网格尺寸)[8]，模型见图3。

图3 基坑模型

2.4 施工工况

根据前述相对关系分析，选取各类典型相对关系中的最不利工况进行有限元计算分析。本次分析主要分为5个工况，具体见表3。在工况简述中，支撑标高为支撑中心的绝对标高。

表3 开挖工况

3 有限元分析

3.1 坡顶水平变形分析

结合现场实际的监测数据，可提取出基坑放坡后坡顶的水平位移监测数据见表4，图4、5为工况3(放坡开挖1)阶段支护桩及上部放坡喷层X向及Y向变形云，由云图可知，X向水平位移为6.13 mm，最大Y向水平位移为10.26 mm。与实测数据相比，二者最大水平位移差为1.29 mm。

表4 边坡顶部水平位移单位：mm

图4 工况3支护桩及上部放坡喷层X向位移

图5 工况3支护桩及上部放坡喷层Y向位移

3.2 桩身水平变形分析

结合现场实际的监测数据，提取出CX8测点在工况4、5的桩身水平位移数据，与有限元分析数据进行对比，绘制见图6、7。在有限元软件后处理模式中提取等效地连墙(支护桩)水平位移的变形云见图8—11。

桩体的水平位移主要是由于基坑开挖卸载引起，由图6可知，工况4中仅施工完成第一道内支撑，桩身水平位移最大值出现在顶端，随着深度增大不断变小[14]。由图7可知，工况5中第二道内支撑施工完成，桩身水平位移随着深度增加不断增大，最大值出现在中部，而后又随着深度增大不断变小[14]。

对比实际值和计算值曲线，可发现：有限元分析由于基于连续介质假设，计算结果平滑，开挖2阶段(工况4)模拟的最大水平变形为6.37 mm(桩顶)，监测的最大值为10.52 mm(桩顶)，二者最大值差异为4.15 mm；最大值出现位置相同；开挖3阶段(工况5)模拟的最大水平变形为17.60 mm(桩顶向下8.0 m处)，监测的最大值为22.35 mm(桩顶向下9 m处)，二者最大值差异为4.75 mm；最大值出现位置相近。

图6 CX8工况4桩身深层水平位移

图7 CX8工况5桩身深层水平位移

图8 工况4桩X方向位移

图9 工况4桩Y向位移

图10 工况5桩X向位移

图11 工况5桩Y向位移

由图8、9可知，工况4支护桩最大X向水平位移为12.53 mm，最大Y向水平位移为10.44 mm。由图10、图11可知，工况5支护桩最大X向水平位移为24.11 mm，最大Y向水平位移为19.99 mm。

3.3 基坑周边土体变形分析

由有限元分析可得：工况3(放坡开挖1)阶段土体最大竖向沉降量为4.55 mm。工况4(开挖2)阶段土体最大竖向沉降量为5.33 mm。工况5(开挖3)阶段土体最大竖向沉降量为6.24 mm。结合监测数据，绘制基坑坡顶Z1—Z8测点竖向累积位移与时间的关系曲线图，见图12。由图12可知，Z1—Z5测点的坡顶沉降量随着时间增加而增大，最大沉降值为12.16 mm，出现在Z1测点。Z1—Z5测点出现向上的竖向位移，位移值随着时间增加而增大，最大值为7.81 mm，出现在Z7测点。

提取坡顶Z1—Z5测点工况3至工况5竖向位移监测数据见表5，从表5可以看出，土体竖向位移监测数据与数值计算模拟结果较为一致，局部个别监测点位的实际变形与计算变形存在差异。可见使用Midas GTS NX软件计算基坑开挖引起的地表沉降变形较为合理，有一定的参考价值。