基坑結構單元與實體單元差異性分析及應用

丁增志，宋林波，高夕良，成啟航

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學，四川 成都 610031)

0 前 言

隨著數值分析方法的日益完善，數值分析軟件被廣泛應用于巖土工程的各個領域[1-3]。其中，Flac3D作為一款功能強大的有限差分軟件，被大量應用于基坑工程。徐幫樹等[4]在數值模擬計算中采用位移疊加法，模擬了復雜基坑工程施工對鄰近建筑物的影響。姚文博等[5]采用數值模擬和現場監測相結合的方法，精確地模擬了基坑開挖過程中支護結構變形規律。郭院成等[6]驗證了在預應力錨桿施工條件下，復合土釘支護體系增量解析方法的合理性。對于基坑支護結構的模擬，Flac3D中有結構單元和實體單元兩種方法[7]。結構單元可以避免復雜的接觸面問題，但不能真實地反映結構實體的應力和應變[8]。實體單元模型能夠真實地反映圍護結構的實際情況，從而找到結構的薄弱部位，但數據的提取和處理較為困難。對于這兩種方法，目前還沒有一個明確的使用標準。

本文依托武漢某項目基坑圍護工程[9]，分別使用結構單元和實體單元對該工程中的圍護結構進行模擬，結合實際監測數據，分析兩種方法的差異性，并將分析結論應用于現有的工程中。

1 計算模型選取

本次計算使用準三維模型，模型尺寸為寬50 m×深28 m，開挖部分為寬25 m×深7.5 m，剖面厚度根據樁間距取為1.6 m，剖面圖如圖1所示。模擬計算中，土體結構采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，圍護結構采用線彈性本構模型。

圖1 武漢某基坑剖面圖

支護樁為Φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長13.5 m，樁間距1.6 m，采用C30級混凝土。支護樁重度γ取25 kN/m3，彈性模量E取32 GPa，泊松比v取0.2。為方便計算，對基坑地質勘察報告進行適當簡化，將土體劃分為5層，各層土體力學參數如表1所示。

2 實體單元模型和結構單元模型結果分析

2.1 實體單元與結構單元

實體單元模型中主要考慮樁基與土體之間的接觸問題，可以用接觸面單元來模擬。Flac3D中常用的接觸面建立方法有移來移去法、導來導去法和切割模型法三種[10]。本文建立樁與土層接觸面單元的方法為移來移去法。該方法主要在于將需要接觸面的兩個網格分開建立后，在一個網格的指定位置建立接觸面，然后把另外一部分網格移到特定的位置。

表1 土層物理力學參數

Flac3D中結構單元包括梁單元、錨索單元、樁單元、殼單元、土工格柵單元和襯砌單元等[4]。在結構單元模型中，采用樁單元對圍護樁進行模擬。樁單元工作原理示意圖如圖2所示。樁單元由結構節點node和結構構件sels構成。通過節點node與實體單元或其他結構單元建立link連接，通過設置耦合彈簧參數實現與土層實體單元的相互作用。

圖2 樁單元工作原理示意圖

2.2 計算結果對比

開挖完成后，結構單元模型與實體單元模型的土體塑性區分布相近，土體塑性區分布圖如圖3所示。結構單元模型圍護樁最大水平位移約為19.0 mm，實體單元模型圍護樁最大水平位移約為19.7 mm，均位于圍護樁頂部，圍護樁水平位移云圖如圖4所示。結構單元模型土體最大水平位移約為19.1 mm，最大豎向位移約為6.6 mm，實體單元模型土體最大水平位移約為19.8 mm，最大豎向位移約為6.9 mm，土體水平位移云圖如圖5所示，豎向位移云圖如圖6所示。對比可知，結構單元模型和實體單元模型的模擬效果相近，圍護樁水平位移、土體水平及豎向位移均具有相同的變化趨勢和相近的計算數值，但大體上實體單元模型的計算結果略大于結構單元模型的計算結果。因此，通過對比兩種模型的計算結果得到結論，結構單元和實體單元對圍護樁的模擬效果相近，實體樁單元的計算結果大于結構樁單元的計算結果。

(a)結構單元模型

(b)實體單元模型

(a)結構單元模型

(b)實體單元模型

2.3 差異性分析

根據上述結論，并結合該地鐵車站基坑的實際監測數據，對結構單元模型和實體單元模型中樁身的水平位移計算結果進行差異性分析，對比曲線如圖6所示。因為準三維剖面模型未添加對樁身水平位移起到一定約束作用的樁頂冠梁，所以數值模擬結果中樁頂位移要大于實際監測數據。

(a)結構單元模型

(b)實體單元模型

(a)結構單元模型

根據曲線圖，計算結果的變化趨勢基本相同，但實體單元模型的計算結果偏高，而結構單元模型的計算結果更接近實際監測數據。因此，相較于實體單元模型，結構單元模型得出的結果要更為準確。而且使用結構單元還能避免實體單元中復雜的接觸面問題，可以優先考慮使用結構單元建立計算模型。根據分析結論及實際工程情況，使用結構單元模型對成都錦城廣場站29號線基坑進行穩定性分析。

3 工程應用

3.1 建立計算模型

使用結構單元模型對成都錦城廣場站29號線基坑建立準三維模型，模型尺寸為寬125 m×深56 m，基坑開挖部分位于模型中部，寬25 m，深28 m，剖面厚度根據樁間距取為1.8 m。計算中，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，圍護結構采用線彈性本構模型。模型剖面圖如圖8所示。

圖8 錦城廣場站29號線基坑剖面圖

基坑使用Φ1200 mm鉆孔灌注樁，樁長38 m，樁間距1.8 m，采用樁單元模擬，支護樁重度γ取25 kN/m3，彈性模量E取34 GPa，泊松比v取0.2。坑底使用Φ1 200 mm抗浮樁，樁長24 m，采用樁單元模擬，抗浮樁重度γ取25 kN/m3，彈性模量E取38 GPa，泊松比v取0.2。坑內豎向布置4道Φ609 mm×16 mm水平鋼管支撐，使用梁單元模擬，重度γ取78.5 kN/m3，彈性模量E取200 GPa，泊松比v取0.3。綜合考慮研究區域土體性質，將土體劃分為2層，各層土體力學參數如表2所示。

表2 土層物理力學參數

3.2 計算結果

基坑及位移云圖如圖9所示。

(a)基坑水平位移

(b)基坑豎向位移

開挖完成后，基坑土體及圍護樁最大水平位移均為1.36 mm，位于基坑側壁-19.4 m處，基坑底面最大豎向回彈位移為4.89 mm，均小于水平位移預警值，水平鋼支撐軸力由上往下依次為265.46、385.26、512.74、495.94 kN，第三道水平鋼支撐有最大軸力為512.74 kN，小于鋼支撐軸力設計值。因此，根據計算結果，成都錦城廣場站29號線基坑現有的結構設計方案是安全可靠的。

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