基于Midas/GTS的深基坑數值模擬分析

馬 野 王瑞芳 雷 穎

(武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430081)

本文以武漢市某深基坑工程項目為依托，利用Midas/GTS有限元軟件建立三維有限元結構模型，分析了各種工況下的圍護結構的受力和變形情況。鑒于深基坑工程與已運營的地鐵線路敏感的位置關系，同時探討了深基坑施工對臨近地鐵隧道區域的影響。通過與實測數據對比，驗證了Midas/GTS在基坑樁撐支護設計分析方面的適用性，在一定程度上，提高深基坑支護結構設計水平，保障了基坑施工的安全，為今后深基坑支護工程的數值模擬提供借鑒。

1 工程概況及地質情況

深基坑工程位于武漢市中南路附近，基坑面積約3 725 m2,周長約255 m，上部結構約60層，下部預設3層地下室。基坑長約71.6 m，寬約52 m,深13.6 m。本工程采用鉆孔灌注樁+內支撐的支護方案,其中圍護樁長27 m,鉆孔灌注樁徑φ=1 400 mm,樁間距1 800 mm，樁間掛鋼筋網并噴射混凝土輔助擋土。自上而下內設兩道內支撐，分別位于-4.6 m,-10.3 m。內支撐及冠梁，腰梁截面尺寸見表1。基坑西側臨近中南路和地鐵2號，4號線，支護距離中南路道路中線最近約33.1 m,距離軌道交通控制線最近2.05 m,距離最近地鐵隧道外壁約為13.2 m。

表1 內支撐結構截面尺寸

工程地質條件如下：武漢市處于長江沖擊平原的中游地區，工程地質條件極為復雜，不同土層分布不均。根據該深基坑項目巖土工程勘察報告，在場地勘察深度內，按照土層的特性對基坑場地土質進行劃分，其詳細的物理參數如表2所示。

表2 土層物理力學參數

2 Midas/GTS數值模型的建立

2.1 基本假定及邊界條件

為簡化計算規模、保證運算結果收斂，做出基本假定如下：

1)土體均采用摩爾—庫侖本構模型計算，鋼筋混凝土和鋼立柱均按線彈性材料考慮；2)假定基坑及周圍土體為成層均質水平分布；3)不考慮地下水在基坑開挖過程中的影響；4)φ1 400@1 800圍護樁按等剛度轉換原則折算成厚800連續墻，折算規律如圖1所示。

其中，D為灌注樁直徑,m；t為樁間空隙距離,m；H為等效后樁墻體系的厚度，m。

計算模型的邊界條件為：模型頂面為自由邊界，側面水平方向固定，底面水平和垂直方向均固定。

2.2 模型結構設計參數

深基坑支護結構在Midas/GTS軟件中的詳細的設計參數及本構關系假定見表3。經過材料參數的輸入和地層分布的設置及數值網格的劃分后，基坑圍護體系與隧道支護系統部分模型(周圍土層被隱藏)如圖2所示。

表3 支護結構設計參數

2.3 模擬工況

在模擬不同工況時，可利用Midas/GTS提供的“激活”與“鈍化”功能實現對基坑不同施工工況的模擬。“鈍化”是指將鈍化單元的剛度、荷載和質量設置為0，從而不讓載荷向量生效。首先建立初始地基模型，添加基坑約束組和載荷組，計算達到初始應力平衡。經位移清零后，按照施工順序逐步鈍化，激活相應單元，直至結束。其中定義的施工工況如下：1)場地初始地應力分析；2)位移清零；3)開挖到-1.00 m；4)設置第一道內支撐；5)開挖到-6.70 m；6)設置第二道內支撐；7)開挖到-13.6 m；8)施工地下室底板。

3 數值模擬結果分析

3.1 不同工況對圍護結構的影響

對于基坑工程，土體是產生荷載的主要來源，但同時也是支撐體系的一部分，支護結構的變形不僅影響基坑的穩定，也會使土體所受到的荷載和分布情況發生改變[1]；在深基坑開挖過程中，基坑內外的土體應力狀態發生改變，這種改變將引起圍護結構承受荷載并導致圍護結構和土體的變形，圍護結構的內力和變形中任何量值超出允許值，都將造成基坑的失穩破壞進而會使周圍臨近建筑物及地下結構遭受破壞。因此，基坑的變形在某種程度上決定著基坑的穩定性。由于篇幅的限制，以下僅顯示深基坑圍護結構在工況7狀態下某一荷載步作用下的X方向的位移云圖，如圖3所示。在Y方向的水平位移云圖與X方向的云圖數值分布相似，方向不同，故不再贅述。

表4 基坑位移控制數據

基坑位移位移大小/mm一級控制標準/mm備注圍護樁最大水平位移18.223.8滿足要求地面最大沉降13.417滿足要求

由圖4,表4可知，基坑開挖的深度與圍護結構的水平位移變化量成正相關關系，即圍護結構水平位移隨著開挖深度的增加而增加[5]。基坑及其圍護結構水平方向上最大位移量的模擬值與實測值的變化趨勢相同，數據大小基本吻合，說明本文所建立的有限元模型是合理的，同時對比控制數據得出基坑的圍護結構處于安全的工作狀態，基坑設計方案合理可靠。

3.2 基坑施工對地鐵隧道區域的影響分析

由于基坑開挖導致基礎周邊及坑底土體卸載，地應力釋放而重新分布，基坑底部隆起，圍護結構向坑內發生側移，導致地鐵隧道結構內力發生變化[6]。根據計算結果，基坑在開挖到底，未施工地下室底板前，地鐵隧道區間內襯砌水平位移和豎向位移均達到最大值，提取結果如表5所示。

表5 地鐵隧道位移控制數據

通過與一級控制標準值對比分析，在正常的施工條件下，該深基坑的施工導致地鐵隧道內力位移發生變化不影響地鐵車站的安全性，即地鐵車站和相鄰區間處于安全范圍內。

4 結語

通過利用有限元軟件Midas/GTS的計算，分析了基坑開挖過程中支護結構內力與水平位移的分布規律，以及對臨近地鐵隧道的影響。主要有以下兩點結論：1)通過對深基坑不同施工工況的三維數值模擬，不僅能形象的模擬基坑圍護結構的位移、變形及內力分布狀態，而且可以彌補巖土工程中施工多變性難以量化的空缺，同時與實時監測數據協調起來，為基坑圍護結構的安全性分析提供更有利的技術支持[7]。2)基坑開挖會造成臨近地鐵區域隧道結構發生一定程度的水平側向位移和豎向位移，即基坑開挖變形存在顯著的三維空間效應。但地鐵區域間隧道結構的最大變形量可控制在20 mm以內，屬于安全范疇[8]。運用Midas/GTS數值分析模擬計算軟件分析基坑施工過程對臨近地鐵區域的影響，比較符合工程實際情況，對后期類似工程有一定的指導意義。