基坑结构单元与实体单元差异性分析及应用

丁增志，宋林波，高夕良，成启航

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2.西南交通大学，四川 成都 610031)

0 前 言

随着数值分析方法的日益完善，数值分析软件被广泛应用于岩土工程的各个领域[1-3]。其中，Flac3D作为一款功能强大的有限差分软件，被大量应用于基坑工程。徐帮树等[4]在数值模拟计算中采用位移叠加法，模拟了复杂基坑工程施工对邻近建筑物的影响。姚文博等[5]采用数值模拟和现场监测相结合的方法，精确地模拟了基坑开挖过程中支护结构变形规律。郭院成等[6]验证了在预应力锚杆施工条件下，复合土钉支护体系增量解析方法的合理性。对于基坑支护结构的模拟，Flac3D中有结构单元和实体单元两种方法[7]。结构单元可以避免复杂的接触面问题，但不能真实地反映结构实体的应力和应变[8]。实体单元模型能够真实地反映围护结构的实际情况，从而找到结构的薄弱部位，但数据的提取和处理较为困难。对于这两种方法，目前还没有一个明确的使用标准。

本文依托武汉某项目基坑围护工程[9]，分别使用结构单元和实体单元对该工程中的围护结构进行模拟，结合实际监测数据，分析两种方法的差异性，并将分析结论应用于现有的工程中。

1 计算模型选取

本次计算使用准三维模型，模型尺寸为宽50 m×深28 m，开挖部分为宽25 m×深7.5 m，剖面厚度根据桩间距取为1.6 m，剖面图如图1所示。模拟计算中，土体结构采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，围护结构采用线弹性本构模型。

图1 武汉某基坑剖面图

支护桩为Φ1 000 mm钻孔灌注桩，桩长13.5 m，桩间距1.6 m，采用C30级混凝土。支护桩重度γ取25 kN/m3，弹性模量E取32 GPa，泊松比v取0.2。为方便计算，对基坑地质勘察报告进行适当简化，将土体划分为5层，各层土体力学参数如表1所示。

2 实体单元模型和结构单元模型结果分析

2.1 实体单元与结构单元

实体单元模型中主要考虑桩基与土体之间的接触问题，可以用接触面单元来模拟。Flac3D中常用的接触面建立方法有移来移去法、导来导去法和切割模型法三种[10]。本文建立桩与土层接触面单元的方法为移来移去法。该方法主要在于将需要接触面的两个网格分开建立后，在一个网格的指定位置建立接触面，然后把另外一部分网格移到特定的位置。

表1 土层物理力学参数

Flac3D中结构单元包括梁单元、锚索单元、桩单元、壳单元、土工格栅单元和衬砌单元等[4]。在结构单元模型中，采用桩单元对围护桩进行模拟。桩单元工作原理示意图如图2所示。桩单元由结构节点node和结构构件sels构成。通过节点node与实体单元或其他结构单元建立link连接，通过设置耦合弹簧参数实现与土层实体单元的相互作用。

图2 桩单元工作原理示意图

2.2 计算结果对比

开挖完成后，结构单元模型与实体单元模型的土体塑性区分布相近，土体塑性区分布图如图3所示。结构单元模型围护桩最大水平位移约为19.0 mm，实体单元模型围护桩最大水平位移约为19.7 mm，均位于围护桩顶部，围护桩水平位移云图如图4所示。结构单元模型土体最大水平位移约为19.1 mm，最大竖向位移约为6.6 mm，实体单元模型土体最大水平位移约为19.8 mm，最大竖向位移约为6.9 mm，土体水平位移云图如图5所示，竖向位移云图如图6所示。对比可知，结构单元模型和实体单元模型的模拟效果相近，围护桩水平位移、土体水平及竖向位移均具有相同的变化趋势和相近的计算数值，但大体上实体单元模型的计算结果略大于结构单元模型的计算结果。因此，通过对比两种模型的计算结果得到结论，结构单元和实体单元对围护桩的模拟效果相近，实体桩单元的计算结果大于结构桩单元的计算结果。

(a)结构单元模型

(b)实体单元模型

(a)结构单元模型

(b)实体单元模型

2.3 差异性分析

根据上述结论，并结合该地铁车站基坑的实际监测数据，对结构单元模型和实体单元模型中桩身的水平位移计算结果进行差异性分析，对比曲线如图6所示。因为准三维剖面模型未添加对桩身水平位移起到一定约束作用的桩顶冠梁，所以数值模拟结果中桩顶位移要大于实际监测数据。

(a)结构单元模型

(b)实体单元模型

(a)结构单元模型

根据曲线图，计算结果的变化趋势基本相同，但实体单元模型的计算结果偏高，而结构单元模型的计算结果更接近实际监测数据。因此，相较于实体单元模型，结构单元模型得出的结果要更为准确。而且使用结构单元还能避免实体单元中复杂的接触面问题，可以优先考虑使用结构单元建立计算模型。根据分析结论及实际工程情况，使用结构单元模型对成都锦城广场站29号线基坑进行稳定性分析。

3 工程应用

3.1 建立计算模型

使用结构单元模型对成都锦城广场站29号线基坑建立准三维模型，模型尺寸为宽125 m×深56 m，基坑开挖部分位于模型中部，宽25 m，深28 m，剖面厚度根据桩间距取为1.8 m。计算中，土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，围护结构采用线弹性本构模型。模型剖面图如图8所示。

图8 锦城广场站29号线基坑剖面图

基坑使用Φ1200 mm钻孔灌注桩，桩长38 m，桩间距1.8 m，采用桩单元模拟，支护桩重度γ取25 kN/m3，弹性模量E取34 GPa，泊松比v取0.2。坑底使用Φ1 200 mm抗浮桩，桩长24 m，采用桩单元模拟，抗浮桩重度γ取25 kN/m3，弹性模量E取38 GPa，泊松比v取0.2。坑内竖向布置4道Φ609 mm×16 mm水平钢管支撑，使用梁单元模拟，重度γ取78.5 kN/m3，弹性模量E取200 GPa，泊松比v取0.3。综合考虑研究区域土体性质，将土体划分为2层，各层土体力学参数如表2所示。

表2 土层物理力学参数

3.2 计算结果

基坑及位移云图如图9所示。

(a)基坑水平位移

(b)基坑竖向位移

开挖完成后，基坑土体及围护桩最大水平位移均为1.36 mm，位于基坑侧壁-19.4 m处，基坑底面最大竖向回弹位移为4.89 mm，均小于水平位移预警值，水平钢支撑轴力由上往下依次为265.46、385.26、512.74、495.94 kN，第三道水平钢支撑有最大轴力为512.74 kN，小于钢支撑轴力设计值。因此，根据计算结果，成都锦城广场站29号线基坑现有的结构设计方案是安全可靠的。

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