基于MIDAS GTS基坑支护数值模拟分析

常 虹，肖岚心

吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118

0 引言

随着我国的快速发展,建筑物也在不断向高处扩展,由于环境和土地资源有限,故深基坑关于变形的方面就会越来越受到重视.在基坑支护过程中,应注意不影响周围建筑物正常使用,还同时要求变形量满足规范要求.因此,合理的支护结构在深基坑工程起重要作用.根据场地地质条件、施工技术等有不同的支护形式.对于桩锚支护方式,在深基坑工程中可以采用,在经济与安全可靠性方面也较为良好.对于基坑施工工序的过程用有限元软件进行模拟已经得到了很好的推广.杨洪娜等[1]人采用MIDAS GTS 数值模拟软件对基坑开挖支护工序进行模拟,得到土层位移随着深度增加而增大,混凝土支撑相比于钢支撑可以更加有效地降低地表沉降.陈辉等[2]人采用两种不同类型的有限元软件分别模拟深基坑开挖过程,通过计算结果的对比分析发现MIDAS GTS NX软件模拟得到的围护结构侧方位移与实测数据相比明显偏大;使用ABAQUS软件中修正剑桥模型预测深基坑侧方地基的变形时,与MIDAS GTS NX软件计算结果相比更佳.过洪贇等[3]人对桩锚支护深基坑变形模拟进行了分析,得到桩身整体水平变形大致呈“两头小,中间大”的鼓腹状分布,同时对锚杆位置进行调整,因此明显对基坑开挖支护过程中桩身的水平位移和周围土体的位移有了好的效果.马海翔[4]通过MIDAS GTS提出排桩直径影响着桩水平位移大小,排桩水平位移最大值随桩径增大而减小.丁伟[5]对桩体不同嵌固深度对桩水平位移影响进行了研究,得到桩体水平位移大小与桩体在土体的深度有关,随着桩体嵌入土体的深度增加,桩的水平位移逐渐减小,桩体发生最大水平位移的位置不是在桩顶处,而是在基坑开挖面的附近.钟连祥等[6]人利用有限元软件Midas对深基坑桩锚支护结构进行了数值模拟研究.通过对比基坑土体变形值和实际监测变形值,验证了此模型的准确性和可行性,得出锚杆轴应力在自由段分布均匀,在锚固段逐渐减小的变化规律.此外,深入分析了深基坑桩锚支护结构变形的影响因素,结果表明:增加支护桩的桩长、缩小桩间距可以很好的抑制基坑土体位移.胡贺松[7]用数值分析软件对不同锚杆倾角下的锚杆长度与安全系数之间拟合模型进行研究,实现了锚杆参数对稳定性影响的定量研究,随着锚杆长度的增加,支护桩所承受的压力逐渐减小,锚杆轴力分布均为锚头处最大,沿着锚杆体逐渐减小.丁亚中[8]使用Midas GTS有限元软件进行基坑模拟,并分析了基坑的水平方向位移和竖直方向位移以及基坑开挖时基底的隆起量规律,通过数值模拟分析得出的数据与现场监测数据进行对比,发现模拟得出的数据是正确有效的.因此在进行有限元软件模拟分析时,可以提前预测出基坑开挖时出现基坑位移和土体隆起量较大的位置.这些分析可以为监测单位布设监测点提供参考,对比软件模拟得出的数据与实际基坑监测的数据变化规律相似,说明了支护体系的合理与可靠,同时所分析的结果可以为后期类似工程提供参考依据.

1 工程概况及支护设计

1.1 工程概况

本文以北宅某厂房深基坑支护工程为例.该工程设计安全等级为二级,正常设计使用年限为1年.工程周边无重要建筑物和构筑物,环境和地质条件较为简单,场地原始地貌系冲洪积平原地貌单元形成的以粉土、黏性土为主的地层如下:

第1层粉质黏土夹粉土:灰褐色,可塑,局部软塑,局部夹粉土薄层.分布均匀,勘探揭露层厚2 m～5 m;

第2层粉土:灰褐色,中密.普遍分布均匀,勘探揭露层厚5 m～10.50 m;

第3层粉质黏土:灰色,可塑状态,切面稍有光泽,韧性中等,无摇震反应.勘探揭露层厚20 m～30 m.

场地所在地区全年四季分明,平均气温在15.8 ℃左右,最高温32 ℃,最低温-15.60 ℃,年平均降水量为800 mm,多集中在5月～9月.场地地下水水位埋深为1 m～2 m,水位年平均变化量约为1.0 m.本场地地下水类型为第四系孔隙潜水略带承压性,主要含水层为粉质粘土夹粉土、粉土、粉质粘土中,受到大气降水补给影响,在雨季水位会上升,如果遇到水较多应采用明渠排水集水沟将水降到可正常施工即可.

1.2 支护设计

根据基坑开挖深度和地质条件及各方面意见与建议后,基坑整体采用混凝土支撑加桩和锚杆的复合支护方式.基坑开挖深度为9 m,基坑宽度15 m.基坑根据锚杆和内支撑的位置分三层开挖,开挖深度分别是3 m,3 m,3 m.第一道支护采用混凝土支撑,设置在开挖深度-0.5 m处,第二道采用混凝土支撑与锚杆共同支护,设置在开挖深度-3.0 m处,第三道采用混凝土支撑与锚杆,设置在开挖深度-6.0 m处.桩长15 m,嵌入深度6 m,桩径0.8 m,锚杆长12 m,直径0.02 m,混凝土支撑的截面尺寸0.8 m×0.8 m,土层信息见表1.

表1 土层信息

2 数值模拟

2.1 模拟方法

本文对基坑的施工工序过程采用 Midas GTS有限元软件进行模拟,为使建模符合实际,土体模型采用修正摩尔-库伦本构模拟,单元类型采用平面应变;围护桩混凝土支撑单元类型采用梁单元，锚杆采用植入式桁架模拟.根据工程经验,基坑模型深度边界计算影响范围取基底以下3倍的基坑开挖深度左右,影响宽度大约去取基坑边界到模型边界开挖深度的3倍.模型的整体尺寸为:x方向95 m,y方向40 m.

MIDAS GTS软件根据前期输入的土层参数,将具有自动划分网格功能,网格尺寸在基坑处定义为0.5,基坑外边界到模型边界处定义为1.2,网格划分完成后对土体底部和两侧进行施加边界约束和自重.

2.2 定义施工阶段

MIDAS GTS软件是通过钝化与激活命令模拟基坑开挖施工阶段过程,根据该工程具体施工步骤，依次进行支护结构施工和开挖土体,按照施工的正常顺序进行模拟,直到基坑支护完毕,在初始应力分析工况中,将所有土体边界进行约束,土体自重进行激活,同时注意勾选位移清零.具体施工阶段工序见表2.

表2 深基坑开挖模拟步骤

3 模拟结果

3.1 基坑模型总体位移

根据上述设置的施工阶段对模型进行分析,得出基坑施工结束后总体位移，见表3.由表3明显得知基坑总体最大位移约为6.24 mm,满足基坑变形要求,验证了支护方案的合理性.

表3 基坑模型总体位移

3.2 基坑位移分析

在基坑支护工程中,基坑坑底会发生向上的回弹,因为基坑土体在逐渐的开挖,会使得土体自重应力得到了释放.并且基坑土体挖走后,桩体会向基坑内移动变形,当基底面以下部分的桩体向基坑方向偏移时,就会挤推桩前的土体,因此基底就会造成隆起.由表4可以看出随着基坑的开挖,在中心位置处隆起量最大约为6.24 mm,两侧隆起量明显看出是逐渐减小的.随着土体继续开挖进行,地表发生了沉降,沉降也在逐渐增大,最大值为2.3 mm,水平位移值也逐渐增大,最大值为1.97 mm.

表4 基坑位移

3.3 桩水平位移

随着基坑开挖,在不同工况下桩体的水平位移变化趋势大体一致,已知桩长15 m,嵌入深度6 m,由表5得出,桩体最大水平位移也在逐渐增大,随着基坑土体开挖,桩体发生最大水平位移的位置也在不断向下移动,桩体端部位置的水平位移比桩中间水平位移小,模拟得出桩最大水平位移为1.51 mm.

表5 桩体水平位移

3.4 锚杆轴力

随着基坑土体开挖不断的施工,可以看出锚杆在自由段处的轴力是比较大,沿着锚固段的方向,锚杆的轴力是慢慢变小趋近于0.表6在工序4中第一层锚杆的最大轴力89.89 kN,工序5中第一层的锚杆最大轴力84.91 kN,第二层锚杆的最大轴力90.52 kN.当土体开挖继续进行时,下层的锚杆会承担了第一层锚杆上的力.

表6 工序4 ,5锚杆轴力

4 结论

本文通过MIDAS GTS软件对基坑开挖的施工工序进行模拟,得到以下结论:

(1)随着基坑的开挖,在基坑底部发生隆起,在中心位置处隆起量最大,沿着基坑底部中心位置向基坑周边两侧的隆起量在逐渐减小.

(2)基坑开挖会对土体产生横向变形,地表产生沉降,随着施工进行水平位移最大值也逐渐增大,沉降量也逐渐增大.

(3)基坑开挖土体的深度不断增加,围护桩体同一位置的水平方向位移变化也不断增加,桩体最大水平位移发生的部位也在不断向下移动.

(4)锚杆在自由段处轴力较大,沿着锚固段方向轴力逐渐减小.