分塊開挖方式下基坑變形有限元分析

石平杰

本文通過利用M IDAS/GTS/有限元分析軟件，對上海“盛世豪園(二期)”的大型基坑工程進行考慮分塊開挖的有限元分析，并對基坑變形進行系統分析。通過與工程實測值進行比較，驗證了有限元計算程序的可靠性，證明了建立的有限元模型在基坑開挖分析中的合理性，并對有限元誤差進行了分析和探討。

1 工程背景

1.1 場地工程地質條件

“盛世豪園(二期)”工程位于上海市楊浦區新江灣城內，西面緊靠閘殷路，東北面與民慶路相鄰，東側與盛世豪園一期小區為伴。本工程擬建建(構)筑物由10幢19層住宅樓、1層沿街商店、1個地下車庫及輔助配套設施組成。其中10幢住宅樓，1層沿街商店及輔助配套設施均位于地下車庫范圍之上，其中住宅樓基礎埋深約9.15 m，商業街和地下車庫埋深約8.95 m。根據巖土工程勘察報告顯示，擬建場地地層主要由黏性土及粉性土組成，場地內及周邊無滑坡、崩塌等不良地質現象存在。基坑±0.000相當于絕對標高+5.300，自然地面絕對標高為+4.800。

1.2 支護結構概況

該工程基坑開挖面積約為44 885 m2，住宅樓基坑開挖深度為9.15 m，商業街和地下車庫基坑開挖深度為8.95 m。局部電梯井、集水井落深開挖達11.55 m。

圍護形式采用SMW工法樁+拉錨的圍護形式。SMW工法墻設計根據基坑開挖深度計算確定，主要采用了3φ 850@1 200的水泥攪拌樁內插H500×200×10×16@1 200的型鋼的結構形式，攪拌樁及型鋼的長度分別為20.4 m和16 m。采用了加筋水泥土錨樁作為水平向支撐體系，具體設計參數見表1。

表1 錨樁設計

2 有限元分析模型及主要施工工況

2.1 分析模型的建立

本文采用M IDAS/GTS有限元分析軟件建模進行了基坑變形分析，分析模型的相關幾何參數及材料參數按照實際工程設計來確定。標準分析模型中基坑平面尺寸即為基坑設計尺寸，約為325 m×148 m。為簡化分析，考慮基坑開挖深度為統一標高，考慮到實際工程中局部深坑雖深度較深，但占基坑總面積的百分比較小，故開挖深度參考住宅樓地下室的埋深取為9.5 m。本章將基坑邊緣到邊界的距離取為50 m，約為最大開挖深度的5倍;模型的深度方向取41 m，以盡量減小模型邊界條件對基坑變形的影響。具體三維有限元基坑開挖模型如圖1所示。

2.2 模型工況的確定

在基坑有限元分析中考慮基坑的分塊開挖將使模型的計算結果更有參考價值，且基坑有限元分析的這一特點在大面積的基坑工程中更為明顯。由于本文的模型計算引入了基坑分塊開挖的施工特性，因此模型的分析工況的定義成為了分析計算的重點。文中基坑分塊方式詳見圖2。

具體的開挖過程主要包括如下9個工況:

1)初始狀態，位移清零;2)施工圍護墻體，施加坑邊荷載;3)開挖第一層土，施工第一道拉錨;4)開挖第二層土，施工第二道拉錨;5)開挖A1，A2區第三層土并施工區域內第三道拉錨，同時開挖A3區第三層土體至-5 m;6)開挖A1區第四層土至坑底并施工A1區底板，同時開挖A2區第四層土體至-7.8 m;7)開挖A3區第三層土體至-6.6 m，施工A3區第三道拉錨;8)開挖A2區第四層土體至坑底并施工A2區底板，同時開挖A3區第四層土至-7.8 m;9)開挖A3第四層土至坑底并施工A3區底板。

3 有限元計算結果分析

3.1 圍護墻側向變形分析

為了更好的了解三維有限元標準模型在開挖過程中圍護墻變形情況，對基坑模型開挖后各工況的地墻最大水平位移值進行了統計，繪成圖表，如圖3所示。根據基坑三維變形的空間效應，我們可以知道基坑圍護墻體的變形在靠近墻底中心處較大，靠近基坑角部處位移較小。故墻體各工況的位移是基坑長邊和短邊靠近中心軸處的位移計算結果。

根據圖3計算結果可以發現模型長邊和短邊的中點當基坑開挖到底時的變形都基本達到了最大值，長邊中點的最大水平位移為38.90 mm，短邊中點的最大水平位移為38.88 mm。根據圖3的區域劃分，圖3a)，圖3b)的位置分別處在A1區和A2區，因此由于基坑的分塊開挖使兩處墻體側移曲線產生了一定的差異。圖3a)中墻體由于處于A1區，工況6時該區域內已經開挖到底并施工完底板，其后工況A1區的結構形式沒有發生變化，從墻體側移曲線可以看出工況7～工況9時，墻體側移的變化量很小。而圖3b)由于處于A2區內，在工況8時才完成支護結構的施工，故最后兩個工況仍產生了一定的位移增量，約為4 mm，占側移最大值的10.5%。

3.2 有限元分析結果與實測值比較

將模型計算結果與工程實測進行了比較(見表2)，文中采用的實側結果是靠近計算所得最大墻體位移處測點開挖到底時的墻體側向位移最大值。

表2 理論分析結果與實測結果比較 mm

由表2可以看出，三維有限元計算的結果與實測的結果相差不大，最大絕對值差8 mm，占位移總量 17%，能夠較好地預測基坑工程在各施工工況下的基坑變形。

3.3 誤差分析

從上面的實測位移量和有限元分析曲線圖結果來看，它們之間還是存在著一定的差異。分析原因，大致可以歸納為以下幾點:

1)進行有限元模擬的時候，對模型進行一些簡化，有時候與實際相差較大，這或多或少影響了計算精度;

2)有限元求解的時候，由于各個項目的差異，我們定義各種參數，例如土體相關參數，彈性模量，土的本構模型等等，它們和實際是有一定差異的，這會影響理論公式的計算精度;

3)有限元模擬沒有考慮地面施工荷載及地下水位的變化影響。但是，在有些地區滲流對基坑開挖卸荷過程的影響較大。在地下水位高時，基坑開挖將伴隨著開挖卸載、坑內外水頭差的變化、超靜孔隙水壓力消散的耦合過程;

4)有限元模擬沒有考慮位移的時間效應。基坑開挖是分步進行的，支撐也是分步置入的，兩者均與施工工況和施工時間有關。準確地說，土體應當屬于粘彈塑性材料，其本身也受時間因素的影響。

4 結語

1)考慮基坑的分塊開挖以后，三維標準有限元計算模型計算所得的變形結果，基本能夠較好的模擬實際基坑工程變形，但考慮施工中的諸多不確定性因素，在今后的工程中應該注意設計上安全系數的取值。

2)分析誤差是不可避免的，這已是大家公認的事實。只要誤差控制在一定的范圍內，能夠達到我們的預期目標就可以了。至于減小誤差，這是一種經驗的積累，隨著資歷的加深，對分析所采用的各種手段(采用什么樣的網格、材料模型、各種參數控制等等)理解的更加透徹，計算精度一定會更加的精確。

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