水利工程中基坑施工的数值模拟研究

黄广龙

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

基坑工程因其能够充分利用地下空间而被广泛运用，对此学者们也进行了大量的研究。孔茜等[1]以昆明某基坑施工为例，研究了钢支撑滞后施工对钢支撑轴力、围护桩位移及弯矩的影响，研究结果表明：土方开挖与非开挖交界处的围护桩弯矩、深层水平位移最大。闫兵兵[2]认为勘察工作是基坑设计的重要，尤其是在基坑施工前，必须进行详细的勘察，以保证基坑开挖的顺利进行。赖叶琴[3]对深基坑施工中的钢板桩支护技术、土钉墙支护技术、排桩支护技术进行了介绍。曹阳等[4]将基坑工程与BIM技术进行了结合，实现了BIM技术对基坑施工的优化，节约了工程造价和工期。刘辉喜等[5]将GIS技术引进至基坑施工中，并及时对基坑的位移、土压力进行监测，通过此技术可提到基坑施工的质量。詹书滨[6]在基坑施工过程中，对锚杆静压钢管桩的支护方案进行了研究，研究结果表明：锚杆数量不够将导致地基发生倾倒变形。胡军[7]以某基坑工程为例，分析了基坑卸载对地铁车站的影响，研究结果表明：基坑须采用分步开挖、逐层卸载以保证基坑施工的质量。万侠[8]探析了地下水和地下水渗流速度对基坑施工的影响。刘金涛[9]分析了高层建筑深基坑施工的难点，并对难点提出了相关的施工建议，以提高施工的质量。王振楠等[10]依托某基坑工程，利用数值模拟软件分析了基坑施工对监控桥墩位移的影响，研究结果表明：基坑施工中应当关注基坑周围岩土体受力的影响。

然而以上的研究并没有分析不同的工况下，基坑开挖结束后基坑竖向位移的变化，因此本文结合一具体基坑工程，利用数值模拟对五种不同工况下的施工方案进行了研究，此研究方法可以类似的基坑工程提供参考。

1 工程概况

水利工程位于西部地区，基坑开挖区域为非一个规则的四边形，，所在区域岩土体从上至下依次为风化土、风化岩和硬岩，岩土体的物理力学参数如表1。

基坑工程选择五种工况，工况如下：

工况一：分部开挖、设置桩，坑底不加固；

工况二：分部开挖、不设桩、坑底不加固；

工况三：分部开挖、不设桩、坑底加固；

工况四：分部开挖、设桩、坑底加固；

工况五：分部开挖、设桩、坑底暂不加固、后期进行加固。

表1 岩土体物理力学参数

2 数值模拟研究过程

2.1 模型的建立

如图1所示，施工区域长×宽×高为300 m×300 m×80 m，因为基坑区域为不规则的形状，结合以往数值模拟经验和施工经验可知，此研究区域长和宽分别为基坑区域的3倍，施工区域的高为基坑深度的2倍，通过试算可知，此研究区域的选择是合理的。

图1 基坑立面图(单位：m)

2.2 模型的属性

五种工况下分部开挖共分4次开挖，每次开挖的深度均为6 m，若设置桩，则桩为直径的0.8 m圆柱体，桩的填充材料为砼，砼的选择为C30。若坑底进行加固，加固采用横撑。四种工况下均采用地下连续墙进行支护(图2)。

图2 地下连续墙

数值模拟采用MIDAS GTS，土体本构模型采用DRUKER-PRAGER，地下连续墙和楼板均采用板单元，横撑采用梁单元，梁单元采用钢的属性，桩和锚杆均采用植入式桁架单元。

2.3 模拟的结果

结合以上五种工况进行数值模拟研究，模拟计算至基坑稳定时停止，因为基坑的沉降是本文研究的重点，所以将基坑的竖向位移展示如图3～图7。

图3 工况1条件下基坑的竖向位移(单位：m)

如图3所示，基坑分四次开挖，设置桩，坑底不进行加固处理，基坑最大的沉降为84.4 mm，此区域占岩土体的11.1%，32.6%的岩土体几乎没有竖向位移。此区域基坑的最大沉降值不超过100 mm，一定程度上说明基坑的竖向位移控制在合理的范围内，安全隐患较小。

图4 工况2条件下基坑的竖向位移(单位：m)

图5 工况3条件下基坑的竖向位移(单位：m)

如图4所示，基坑分四次开挖，不设置桩，坑底不进行加固处理，基坑最大的沉降为475.3 mm，此区域占岩土体的11.0%，31.9%的岩土体几乎没有竖向位移。此区域基坑的最大沉降值远超过400 mm，一定程度上说明基坑的竖向位移过大，安全隐患严重，须进一步加强支护。

如图5所示，基坑分四次开挖，设置桩，坑底进行加固处理，基坑最大的沉降为474.3 mm，此区域占岩土体的11.0%，33.9%的岩土体几乎没有竖向位移。此区域基坑的最大沉降值远超过400 mm，一定程度上说明基坑的竖向位移过大，安全隐患严重，须进一步加强支护。

图6 工况4条件下基坑的竖向位移(单位：m)

如图6所示，基坑分四次开挖，设置桩，坑底进行加固处理，基坑最大的沉降为84.3 mm，此区域占岩土体的10.9%，31.8%的岩土体几乎没有竖向位移。此区域基坑的最大沉降值不超过100 mm，一定程度上说明基坑的竖向位移控制在合理的范围内，安全隐患较小。

图7 工况5条件下基坑的竖向位移(单位：m)

如图7所示，基坑分四次开挖，设置桩，坑底暂不加固，后期进行加固处理，基坑最大的沉降为97.5 mm，此区域占岩土体的11.1%，31.4%的岩土体几乎没有竖向位移。此区域基坑的最大沉降值不超过100 mm，一定程度上说明基坑的竖向位移控制在合理的范围内，安全隐患较小。

结合以上数值模拟的结果可知，当不设计桩的时候，基坑的竖向位移均超过400 mm，此位移达不到工程的要求，安全系数也达不到，必须进行重新设计，设计方案中必须加桩。

加桩后基坑的竖向位移均不超过100 mm，说明竖向位移得到了有效的控制，基坑的处置方案有效，竖向位移最小的方案为分部开挖、设置桩、并且在坑底进行加固处理。第五个方案中没有及时进行坑底加固，而是后期再进行加固，导致基坑的竖向位移增加，但是依然控制在合理的范围内，说明了坑底及时加固对基坑控制竖向位移有一定的作用，此作用也较为明显。

2.4 数值模拟总结

(1)基坑的开挖过程中若不设计桩，那么基坑的安全性得不到保证，会造成较为严重的竖向位移变化，易导致施工事故的发生，须加以重视。

(2)设置桩以后基坑的竖向位移基本上得到了有效的控制，坑底是否加固与加固是否及时也对基坑的竖向位移会造成的一定的影响，尤其是坑底是否加固及时，对基坑的竖向位移影响较为严重。

3 结语

(1)基坑开挖过程中，若不设计桩，那么基坑的竖向位移将较大，此位移远超过工程允许的范围，由此可知基坑开挖过程中必须加桩，否则会造成安全事故。

(2)坑底加固与否对基坑的竖向位移造成一定的影响，但是此影响不会造成较大的安全隐患，另一方面坑底是否加固及时，也会对基坑开挖的竖向位移较成一定的影响，此影响较明显。

(3)数值模拟仅通过竖向位移对五种工况进行分析，并没有从受力和塑性区的角度进行分析，此方面的研究有待进一步深入。