超深基坑支護結構變形與軸力的三維有限元分析

范蓬震 高 倉 馬 祥

陜西建工第九建設集團有限公司 榆林 719000

1 工程概況

濟南西客站地鐵1號線基坑長207.05 m，標準段寬、開挖深度分別為21.40 m、18.58 m；盾構段寬、開挖深度分別為25.30 m、18.58 m，±0.00 m相當于絕對高程30.36 m，屬于深基坑工程（圖1）。

圖1 濟南西客站平面規劃示意

基坑采用鉆孔灌注樁（φ1 000 mm@1 500 mm，樁長22.88 m，混凝土強度等級為C30）加高壓旋噴樁止水帷幕加3道鋼管內支撐的支護方式；內支撐標準段采用3道鋼管對撐體系，盾構段采用3道鋼管斜撐體系，鋼管支撐設活動端頭，以便施加預應力，預應力為鋼支撐軸力設計值的30%（第1、2、3道鋼支撐軸力設計值分別為1 000 kN、2 000 kN、1 500 kN），第1道內撐采用φ609 mm（厚度t=12 mm）鋼管支撐，架設點距樁頂2.10 m；第2、3道內撐采用φ609 mm（厚度t=16 mm）鋼管支撐，架設點分別距樁頂8.35 m、14.88 m；混凝土冠梁的強度等級為C30，截面為1 000 mm×800 mm，腰梁為鋼腰梁（普通熱軋45b#工字鋼）。

2 深基坑有限元計算模型

2.1 模型計算參數的選取

1）本模型土體采用SOLID45實體單元，冠梁與支護結構采用BEAM4單元，鋼支撐采用LINK8單元。基坑周邊土體采用彈塑性本構模型，選用Drucker-Prager屈服準則，鉆孔灌注樁、圈梁和鋼支撐結構均采用彈性本構模型。土層從上往下依次為素填土、粉土、粉質黏土、中砂。

2）支護結構：將支護排樁簡化為地下連續墻，其厚度按照等效剛度原則確定，推算出等效后的地下連續墻厚度為0.73 m；混凝土強度等級為C35，密度ρ取2 500 kg/m3，泊松比v取0.18，彈性模量E取3.16×1010Pa。

3）支撐體系：鋼支撐φ609 mm（厚度t=12 mm或t=16 mm），彈性模量E取2.06×1011Pa，泊松比v取0.31。

2.2 模型建立

在深基坑工程的有限元模擬過程中，基坑開挖影響寬度一般取開挖深度的3～4倍，影響深度一般取開挖深度的2～4倍。故本文選擇的模型大小為(3H+L/2)×(6H+B)×3H，即 ：159.27 m×132.88 m×55.74 m，其中，深基坑尺寸為L×B×H，即：207.05 m×21.40 m×18.58 m。

2.3 深基坑開挖、支護工況模擬

1） 工況1：開挖第1層土方，挖至標高-3.10 m處；

2） 工況2：施工混凝土冠梁及安裝第1道鋼管支撐（-2.10 m處，每6 m一根），并施加預應力；

3） 工況3：開挖第2層土方，挖至標高-9.35 m處；

4） 工況4：施工鋼腰梁及安裝第2道鋼管支撐（-8.35 m處，每3 m一根），并施加預應力；

5） 工況5：開挖第3層土方，挖至標高-15.88 m處；

6） 工況6：施工鋼腰梁及安裝第3道鋼管支撐（-14.88 m處，每3 m一根），并施加預應力[1-4]；

7） 工況7：開挖第4層土方，挖至標高-18.58 m處。

3 有限元模擬結果分析

3.1 樁體水平位移分析

在不同工況下支護結構水平位移的位移云圖如圖2～圖5所示。

圖2 安裝完第1道鋼支撐

圖3 安裝完第2道鋼支撐

圖4 安裝完第3道鋼支撐

圖5 開挖至坑底

分析得出：安裝完第1道鋼支撐時，最大位移為11.91 mm，位于樁體-10.53 m位置處；安裝完第2道鋼支撐時，最大位移為12.46 mm，位于樁體-12.29 m位置處；安裝完第3道鋼支撐時，最大位移為14.38 mm，位于樁體-14.05 m位置處；開挖至坑底時，最大位移為18.19 mm，位于樁體-15.81 m位置處。以上模擬數據與實測數據基本一致，且均小于樁體水平位移警戒值：0.4H%或45 mm（二者取較小值，H為基坑開挖深度）。

將計算工況7的模擬數據與基坑開挖至坑底時實測點ZXS、ZXE2、ZXE4的實測數據進行比較分析，如圖6所示。由圖可以得出：

圖6 計算值與實測值對比分析

1）有限元模擬分析得到的位移曲線與實測結果基本一致，均呈現“大肚子”形狀，雖然三維模擬結果與實測值存在一定的差異，但是模擬曲線所反映的趨勢與實測曲線較為接近。

2）模擬值的上部位移明顯小于實測值，這是由于基坑在土方開挖后沒能及時安裝鋼支撐，使得監測值偏大，而模擬計算時能更好地遵循“隨挖隨撐”原則，故基坑暴露時間幾乎沒有，所以模擬計算的支護樁上部的位移相對較小，由此可以看出，應用有限元軟件進行模擬分析對于基坑工程變形理論的研究具有很大意義[5,6]。

3.2 鋼支撐軸力分析

在基坑安裝完第1道、第2道、第3道鋼支撐及開挖至坑底4種工況下，3道鋼支撐的軸力變化云圖分別如圖7～圖10所示。

由圖分析可以看出：基坑安裝完第1道鋼支撐后，其軸力最大值為418.15 kN；安裝完第2道支撐后，第1道鋼支撐的最大軸力增至623.15 kN，此時第2道鋼支撐的軸力最大值為634.52 kN；安裝完第3道支撐后，第1、2道鋼支撐的最大軸力分別增至725.85 kN、1531.15 kN，此時第3道鋼支撐的軸力最大值為621.15 kN；土方挖至坑底時，第1、2、3道鋼支撐的最大軸力分別增至831.36 kN、1 894.15 kN、1 442.42 kN。

將實測點ZC1、ZC6的軸力計算值和實測值進行對比，如圖11、12所示。

由圖可以得出：鋼支撐軸力的計算值整體比實測值偏大，產生這一現象的主要原因有以下幾點[7-9]：

圖7 安裝完第1道鋼支撐

圖8 安裝完第2道鋼支撐

圖9 安裝完第3道鋼支撐

圖10 開挖至坑底

圖11 測點ZC1計算值與實測值對比

圖12 測點ZC6計算值與實測值對比

1）每道支撐在支撐前為了便于安裝施工，土方均超挖約1.00 m，導致支撐前基坑支護結構就已產生了一定的位移，鋼支撐施加預應力使支護結構產生向基坑外位移的水平作用力，使軸力減小；

2）基坑施工過程中存在機械的擾動，使得鋼支撐軸力變小；

3）鋼支撐軸力監測時間主要處于夏季，濟南地區夏季日平均溫度為25 ℃，鋼支撐長期處于高溫再加上支撐自身重力的影響，使得鋼支撐產生變形，支撐端部與鋼腰梁發生偏移，致使二者不完全接觸，從而使得軸力變小。雖然支撐軸力計算值大于實測值，但大小較為接近，且二者變化趨勢比較一致，進一步說明對于對稱分布的深基坑，采用ANSYS對其進行數值模擬時，建立1/2深基坑模型的思路是正確的[10,11]。

4 結語

1）在濟南西客站軌交1號線深基坑工程施工中，應用ANSYS軟件并采用等效剛度、建立1/2基坑模型等原則，極大地簡化了模擬過程，節約了計算時間，取得了與實測值相吻合的計算結果，為類似地質條件下的深基坑工程有限元分析研究提供了一定的指導，具有一定的借鑒意義。

2）應用ANSYS軟件對深基坑進行支護樁體水平位移模擬分析時，樁體上部模擬值一般小于實際位移值。因此，在設計階段采用ANSYS軟件對深基坑樁體位移進行預測分析時，應對樁體上部位移分析結果進行修正，從而對樁體上部進行補強設計。

3）應用ANSYS軟件對深基坑支護結構支撐軸力模擬分析時，支撐軸力模擬預測值比實際值偏大。因此，在設計階段采用ANSYS軟件對支撐軸力進行預測分析時，應對軸力模擬計算值進行修正，避免造成不必要的經濟浪費，從而最大限度地降低工程造價。

4）應用ANSYS軟件建立基坑模型進行模擬計算時尚無法完全模擬工程實際情況，致使模擬結果與實測結果存在一定的差距，應用ANSYS進行深基坑工程的全仿真模擬還需進一步研究探討。