含管道基坑开挖的数值模拟研究

孔繁慧

（陕西恒业建设集团有限公司，陕西 西安 710000）

1 工程概况

如图1 所示，基坑的宽×深为30 m×20 m，选择研究区域宽×深为200 m×100 m，研究区域宽和深分别约为基坑的7倍和5 倍，结合工程经验可知，基坑开挖对此区域的受力和位移影响显著，所以选择此区域。

图1 研究区平面图 单位：m

2 数值模拟

2.1 模型的建立

选择MIDAS GTS 对基坑开挖进行模拟，粉质粘土、粉砂、杂填土和粘土选择莫尔库仑模型，基坑支护措施中格构柱选择1D梁单元，截面积为0.018 m2，扭转常量Ix为9.24×10-7m4，扭转应力系数为0.018 m，截面惯性矩（Iy和Iz）为7.8×10-4m4；地连墙选择1D 梁单元，截面积为0.16 m2，扭转常量Ix 为1.79×10-3m4，扭转应力系数为0.20 m，截面惯性矩（Iy 和Iz）为8.5×10-3m4；立柱桩选择1D 梁单元，截面积为0.50 m2，扭转常量Ix为0.04 m4，扭转应力系数为0.40 m，截面惯性矩（Iy 和Iz）为2.1×10-2m4；管道选择1D桁架单元，截面积为0.16 m2，扭转常量Ix为1.79×10-3m4，扭转应力系数为0.20 m。

粉质粘土、粉砂、杂填土和粘土统一按1 m 进行混合四面体进行网格划分，以此保证节点传递力的均匀性，也可保证节点之间相互耦合。研究区域宽和深分别约为基坑的7 倍和5倍，经过数值模拟试算可知，若分别增加基坑的宽度或深度，基坑周围岩土体的受力和位移几乎没有变化，因此可认为研究区域的边界取值是合理的，数值模拟计算基坑平衡时停止。

数值模拟先进行初始地应力平衡计算，再对管道进行析取赋值，继而是围护墙的施加，最后分别对基坑分五次进行开挖，开挖深度分别为2、6、4、4、4 m，开挖深度的确定与周围岩土体的性质密切相关，每层开挖结束后立即对开挖区域进行地连墙、立柱桩的施加。

2.2 模拟的结果

2.2.1 位移基坑开挖后，周围岩土体的位移如图2所示。

图2 基坑开挖后围岩位移云图

如图2（a）所示，水平位移最大数值为6.60 mm，主要集中于基坑开挖右边地面区域，此区域所占岩土体约2%，88%岩土体水平位移几乎为0，说明基坑开挖对周围岩土体的水平位移影响较小。利用线上图工具解析右边地面最大位移为5.90 mm，越靠近右边边界区域，水平位移越小，此规律与实际一致，说明数值模拟的有效性。

如图2（b）所示，竖向位移最大数值为8.90 mm，主要集中于基坑开挖右边地面区域，此区域所占岩土体约4%，83%岩土体水平位移几乎为0，说明基坑开挖对周围岩土体的竖向位移影响也较小。利用线上图工具解析右边地面最大位移为3.50 mm，越靠近右边边界区域，竖向位移越小，此规律与实际一致，说明数值模拟的有效性。基坑底部岩土体发生部分隆起（向上的竖向位移），隆起区域主要集中于基坑两个角落，原因是开挖导致基坑边角处出现应力集中。

由图2可知，基坑开挖后岩土体的水平位移和竖向位移均不超过10 mm，此位移值控制在合理的范围内，不会对基坑工程及周围岩土体造成不良的影响。

2.2.2 管道受力

管道所受的轴力如图3所示。

图3 管道所受的轴力图 单位：kN

如图3所示，管道所受的轴力最大为750 kN，此区域所占管道约8%，此数值依然达不到管道所受轴力的极限值1 200 kN，因此可认为管道的受力在可控的范围内，基坑开挖不会对管道造成不良的影响。管道所受的轴力较为均匀，没有出现应力集中的现象，一定程度上可以说明基坑开挖是成功的。

2.2.3 支护措施受力

基坑支护受力见图4和图5。

图4 支护措施所受轴力图 单位：kN

图5 支护措施所受弯矩图 kN·m

由图4 可知，随着地层深度的增加，支护措施所受的轴力越大，立柱桩所受的轴力最大值为790 kN，随着深度的减小，土桩桩所受的轴力也减小，因为其力已被格构柱分担；接触界面所受的轴力最大值为1 400 kN，同样主要集中于深度土层中；支撑所受的轴力呈现随着深度增加，所受轴力逐渐增大的趋势，即第四道支撑所受的轴力值最大，最大值为2 900 kN；由图4可知，土层深度越大，支护措施所受的轴力越大，结合此受力值可将深层支护措施加强，同时减弱表层支护措施，以达到节约工程造价的目的。

第四道支护结构中，第四道支撑所受最大弯矩值为1 800 kN·m，主要集中于支撑的边角处，因为此处易发生应力集中，进而导致弯矩值增大，结合支撑结构的弯矩极限值22万kN.m，可知支撑所受的最大弯矩值远小于支撑的极限弯矩，可认为支撑是在正常的工作状态，不会发生弯矩破坏。

3 总结

结合一实际基坑开挖工程，对开挖后基坑、周围岩土体、支护结构和管道的受力和位移进行了研究，研究结果表明：①基坑开挖后周围岩土体最大的水平位移和竖向位移分别是6.60 mm和8.90 mm，此数值均不超过10 mm，说明基坑开挖不会对周围岩土体造成不良的位移影响；岩土体竖向位移大于水平位移，后期监测的重点在于竖向位移；位移主要发生于坑底和右边地表处，以上两个区域是不良位移防治的重点。②管道所受轴力最大为750 kN，此值小于管道所受轴力的极限值，同时管道的受力较为均匀，没有出现应力集中的现象，说明管道的受力是合理的，不会对基坑开挖工程造成隐患。③支护结构所受的轴力和弯矩均随着深度的增加，受力逐渐增大，但是受力均控制在合理的范围内，均远小于材料的极限值，说明支护结构的材料是满足工程要求的，同时可适当加强深层土体的支护，另外减小表层土体的支护，保证基坑安全开挖的同时，达到节省工程造价的目的。