深基坑开挖的数值模拟分析及支护优化

2023-11-09汪亚林李大华陈硕豪

合肥学院学报(综合版) 2023年5期

汪亚林，李大华，陈硕豪，王迪

（1.安徽建筑大学土木工程学院，合肥 230601；2.马鞍山首建工程质量检测咨询有限公司，安徽马鞍山 243000）

随着城市化进程的加快，城市的高层建筑以及地下工程越来越普遍，深大基坑在开挖过程中，难度和复杂性较大，需要考虑的安全因素众多，这也导致了一系列关于深基坑开挖与支护出现的问题。因此，有必要在基坑开挖过程中进行变形监测和数值模拟分析，确保开挖过程安全以及基坑周围建筑物的安全。国内外对深基坑开挖与支护的研究很多，支护方式也有许多，比较常见的有土钉墙支护，排桩支护，地下连续墙支护等，但是在深大基坑开挖与支护的研究上还是略显不足。[1-3]在基坑开挖时，基坑内部会因为土体自重卸荷产生的应力释放发生应力重分布引起位移变化，主要的位移变化有三种，分别是基坑围护结构位移，基坑底部土体向上隆起和基坑外侧地表沉降。这三种位移变形存在着一定的相关性，在基坑施工过程中，基坑内侧的土体被开挖，开挖的土体自重应力消失，从而引起基坑侧壁和基坑底部土体的应力得到释放，导致基坑内侧围护结构发生位移，基坑底部土体产生隆起现象，同时土体的整体位移会致使基坑外侧地表产生沉降。各个基坑因为周围的水文地质环境不同，开挖深度不同以及支护结构措施不同，所产生的危险影响也不同，所以对基坑开挖的数值模拟分析是必不可少的。

本文依托合肥市某蓄水池深基坑工程为背景，对基坑开挖进行施工监测，利用MIDAS/GTS NX 软件对基坑开挖支护过程进行模拟，经过对该深大基坑支护方法的研究，可为类似条件下，深大基坑开挖及支护提供安全可靠的参考。经过数值模拟验证监测数据的正确性，得出使用有限元软件来模拟实际工程是可靠的，为优化施工方案和工程安全提供了保障。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

该蓄水池基坑位于合肥市蜀山区，基坑开挖平面面积约为5 968.04m2，基坑长约为100 m，宽约为60 m，开挖深度约为9 m。分三次开挖，每次开挖3 m，基坑的支护体系是围护桩加内支撑体系，开挖一和开挖二使用圈梁和内支撑进行支护，开挖三使用圈梁和锚杆进行支护。基坑平面图见图1。

图1 基坑平面图

1.2 地质条件

该工程附近地区的土体主要由三层组成：第一层为粉质粘土夹粉土，颜色呈灰黄色，青灰色；第二层为粉土，颜色呈灰黑色，褐黄色；第三层为粉质粘土，颜色呈灰褐色，灰黄色。这三层土体及岩石土层的计算指标见表1。

表1 各岩土层计算指标

1.3 工程监测频率及预警值

深基坑监测工作是基坑开挖与支护作业的重点阶段之一，需要根据施工工况，适当加密监测频率。测点布置应根据施工阶段，如交通导改、管线迁移、围护结构施工、基坑开挖及回填等情况布置，遇到障碍物可适当做调整[4]，并且时刻保持布点图的更新，与实际保持一致。监测点需要反映监测对象的实际状态及变化趋势，应布置在内力关键特征点上，并减少对施工作业不利影响。监测内容不同相对应的监测报警值和监测时间也不同，而现场的监测数据既可以保证施工作业安全顺利地进行，又为我们后续使用有限元分析软件建立模型提供了现实依据。本基坑工程的监测内容与预警值见表2。

表2 监测频率及预警值

2 有限元模型的建立

2.1 建模前的准备

MIDAS-GTS 软件分析功能强大，操作页面简洁，模拟准确度较高，适用于各种基坑工程的模型建立与分析[5-6]，因此本文运用该软件对此基坑进行数值模拟分析，结合实测数据讨论基坑开挖时的位移变形和沉降影响。

基坑围护体系采用排桩围护结构，建模时考虑到钻孔灌注桩与地下连续墙具有相似的受力方式，按桩墙抗弯刚度等效原则将排桩结构等效转化为地下连续墙。可根据以下公式对等效地连墙厚度进行计算获取

其中：d——围护桩的直径，mm；s——围护桩的桩间净距，mm；E0——等效地连墙的弹性模量；t——等效地连墙厚度，mm；E1——围护桩的弹性模量（一般为所用混凝土的弹性模量）。

根据上式所求得本模型等效地连墙厚度为1 002mm，取1 000mm。基坑工程可选用的模型类型有修正莫尔-库伦、莫尔-库伦和剑桥模型等，本文数值分析模型采用的是修正-莫尔库伦本构体系。土体的修正莫尔-库伦模型参数见表3。

表3 土体修正莫尔-库伦模型参数

2.2 建模步骤

（1）设置材料及属性：建立一个重力方向为Z三维模型，设置好单位系统。接着把三层土体的属性和建模所需要用到的材料及其属性设置完成，该基坑开挖与支护所需要用到的材料及属性见表4。

表4 基坑围护结构材料及其属性

（2）拓展实体：导入事先建立好的DWG 二维线框，把基坑立柱从水平方向旋转到竖直方向。在几何选项中进行实体扩展，包括基坑实体和三层土体的实体，土体的实体扩展体积为400m×300m×36m。

（3）分割实体：采用布尔运算对三层土体以及基坑开挖深度和降水区域进行划分。

（4）印刻：由于基坑立柱是1D 梁单元，所以在生成网格之前要进行自动印刻保证基坑立柱与周围实体节点耦合。

（5）划分网格：基坑尺寸为2.5,使用混合网格生成器，在基坑实体划分的过程中选择高级表单将基坑一并划分，使其节点耦合。三层土体单独划分，土体划分尺寸为10。

（6）析取：采用几何析取的方式生成地连墙、圈梁和内支撑。生成完如图2所示。

图2 围护结构生成图

（7）设置锚杆：使用锚建模助手在第三次开挖设置锚杆，锚杆的未灌浆长度为4m，灌浆长度为6m，锚杆的预应力为100kN。

（8）属性更改：在网格全部生成完成后，将所有的结构单元属性更改准确，并分号不同类型，便于后续操作。

（9）给与约束：对于基坑立柱，设置RZ约束。对于整个模型，设置自动边界约束。最后定义自重荷载。

3 基坑及土体变形及沉降分析

基坑变形主要由围护结构位移、基坑底部隆起、坑外侧地表土体位移三部分组成，三者相互影响，相互联系。

3.1 基坑围护结构变形

有限元软件数值模拟分析结果如图3 所示，即基坑开挖2-3 完成后基坑围护结构的水平位移云图。由图3 可以看出，围护结构的水平位移在基坑两端处呈连续倒三角形状，基坑开挖越深处水平位移越明显，最大达到了约7.08mm，随着基坑不断地开挖，地连墙的水平位移越来越大，这是由于在基坑施工过程中，基坑内侧的土体被开挖，开挖的土体自重应力消失，从而引起基坑侧壁和基坑底部土体的应力得到释放，导致基坑内侧围护结构发生位移。由线上图可以看出，开挖1-3结束后，围护桩顶端的水平位移都是呈先增大后减小，其峰值都是在靠近中间点和地连墙两端之间。从数值模拟得到的云图可以看出，该基坑围护结构的变形并未超过预警值。

图3 开挖2-3地连墙位移云图

3.2 基坑底部隆起

如图4所示，随着基坑开挖不断地进行，基坑底部的土体因为开挖的土体自重应力的消失，会产生隆起[7-10]，导致基坑底部出现“ 大肚子”现象。当基坑开挖到最底部时，基坑底部土体应力得到释放，产生了向上隆起，由外向内逐渐增大，在基坑底部中段达到最大，约为10.2mm。由线上图可以看出，当进行完开挖3 后基坑底部土体的向上位移呈先增大后减小趋势，基坑立柱所在的周围基坑隆起较不明显。

图4 基坑整体竖向位移云图

3.3 基坑外侧地表沉降

如图5 所示，在基坑开挖过程中，由于开挖的土体的自重应力和侧向土压力的消失，会对基坑外表面土体产生水平和竖直方向的影响，其中我们最应该关注基坑外侧的地表沉降。基坑开挖完成后，坑外地表沉降随着距离变远影响逐渐减小，由整体竖向云图可知，坑外地表沉降在开挖3后达到最大，可达约24.7mm。地表沉降的影响范围是基坑开挖深度的6-7倍左右，影响范围最大在基坑开挖深度2倍以内。由开挖1-3的地表沉降线上图可以看出，基坑周围地表沉降由基坑周边向外呈先减小后增大趋势，最大沉降点一般在基坑的周围，所以基坑周边附近的土体位移需要加以关注，避免事故的发生。

图5 基坑外地表沉降云图

3.4 监测数据与模拟数据对比

经过监测结果与数值模拟结果进行了对比，如表5所示，发现实测值略大于模拟值且误差都在5%以下，证明了数值模拟的准确性。

表5 监测结果与模拟值对比

4 围护结构的优化

4.1 优化围护桩桩径

本文建立的模型中将基坑周边的围护桩等效成了地连墙，所以要想改变围护桩的桩径，就等同于改变地连墙的厚度。[11-12]原本的模型中地连墙的厚度为1 000 mm，使用控制单一变量的方法，只改变地连墙的厚度，得出相应的模型结果。分别设置厚度T 为800 mm，900 mm，1 000 mm（原本），1 100 mm，1 200 mm，1 300 mm为对照组进行模拟得出围护结构X方向水平位移。基坑围护结构X方向的最大水平位移随着地连墙的厚度增加而减小，减小趋势在厚度增加到1 200 mm以后趋于平缓，影响范围也在逐渐减小。地连墙厚度在1 200 mm时，最大位移约为6.83 mm，而原来厚度为1000mm时的最大位移约为7.08mm。相比较于之前，安全系数得到了有效的提升，最大位移变化如图6所示。

图6 位移变化折线图

4.2 优化锚杆嵌入角度

该基坑原本的锚杆与水平向夹角角度为20°，本文设置了四个对照组分别为15°，20°（原本），25°，30°来优化围护结构，得到的围护结构位移云图如图7所示。从下图对比可以看出：调整锚杆与水平向夹角，会对基坑变形产生影响，本项目锚杆与水平向夹角为15°和30°时相较于原设计基坑变形增大，而在25°时，相较于原设计基坑变形减小，所以想要改变锚杆嵌入角度来优化基坑支护方案，锚杆与水平向夹角并非越大越好。锚杆角度越大，位于下方持力层的锚杆锚固段更长且力学性能更好，但由于水平方向的分力减少，所以反而使得锚杆的作用发挥不佳。