基坑工程開挖對樁錨支護變形特性模擬分析

程 名 宋騰蛟

（吉林建筑大學測繪與勘查工程學院，吉林 長春 130118）

0 引言

在城市化進程中，高樓如雨后春筍般拔地而起，鱗次櫛比。這些高層建筑，甚至超高層建筑的建設，穩定性、安全性保障是關鍵，基坑工程就肩負著這樣的重任。地下條件復雜多變，基坑工程施工的安全控制難度大，選擇安全、可靠，技術合理，施工方便，經濟節約的支護形式尤為重要。計算機技術的發展，為人類活動的安全性、準確性以及效率等分析提供了技術支撐，比如工程界的各類模擬軟件，已經成為人們工程建設的得力助手。本文通過Midas GTS軟件對長春某基坑工程建立數值模型，模擬分析樁錨支護變形特性，探討基坑開挖對基坑變形的影響。

1 Midas GTS軟件應用現狀

Midas GTS軟件能夠很好地反映出土體與樁錨支護結構間的相互作用關系，并通過模擬網格的參數來體現。Midas GTS 軟件通過采用有限元法進行計算。該軟件模擬土層開挖的過程是通過對土體添加工況實現的。Midas GTS軟件可進行下列分析：靜力分析、施工階段分析、完全應力-滲流耦合分析、穩態滲流分析、瞬態滲流分析以及邊坡穩定分析等。Midas GTS軟件適用性較強，幾乎適用于各類復雜的基坑工程。通過Midas GTS軟件進行模擬，得出在基坑開挖過程中的豎向位移和水平位移的變形規律，不僅能夠提前預測變形較大的區域，并且還可以對冗余位置進行優化，以達到節約資金的目的。趙菲、周冰等[1]人通過數值模擬分析樁錨支護水平位移及水平位移峰值出現的位置，可作為實際工程的監測預警值，并對峰值位置進行重點觀測。方年春等[2]人通過Midas GTS軟件，以工程實例為依據，建立了基坑開挖的模型，并對模型數據與實際監測數據進行分析。莫韜韜[3]利用Midas GTS 軟件，通過實際工程與模擬數據分析得出，坑角對支護結構的影響較大，并且影響范圍與開挖深度有關。陸仕淵利用Midas GTS軟件對基坑支護進行模擬，得出隨著基坑開挖深度的加深，地下連續墻的最大水平位移也逐漸增大，并且中部及轉角處地下連續墻的水平位移最大。曹日躍[4]利用MIDAS GTS軟件，通過對錨桿的長度及傾角的改變，來確定最優錨具的參數，并通過分析確定錨桿長度、角度與邊坡的安全系數的關系，為今后邊坡治理提供參考。

在眾多計算方法中，有限元計算方法更符合現場實際，通過有限元方法可以很好地反映土體與支護結構的關系[5]。本文采用Midas GTS軟件進行模擬分析，該軟件具有以下優點：一體化分析設計軟件；土層及鉆孔數據交互；三維模型顯示的實時更新；Midas GTS軟件兼容性較強；可提供詳細的構件材料及用量；一鍵出圖；可供選擇的本構模型有很多，更符合實際。

2 工程概況

山東省某基坑工程的支護周長400m，開挖深度16m，開挖深度較深，地下環境復雜，該工程選擇基坑支護等級為一級，并采用樁錨支護體系。

由詳勘報告可知，該場地地形平整，最大鉆孔深度為30m。根據巖土的物理力學性質可分為5層，具體土層參數見表1所示。

表1 土層參數

3 Midas GTS數值模擬

3.1 結構屬性的類型選擇

本文選取修正摩爾庫倫本構模型，各材料的結構屬性選擇如表1所示。

3.2 工況定義

基坑開挖的過程是通過定義工況來實現的，各工況如表2所示。

表2 工況定義表

在工況一初始應力平衡階段需要選中激活選項，激活所有的土層、開挖階段和自重、約束，并且需要將位移進行清零[6]。基坑開挖過程中，需要將開挖階段拖到鈍化區域。在施工過程中，因為施工是有間隔時間的，因此需要進行LDF（荷載釋放系數）修改，代表不平衡力分幾部分釋放。圖1為模擬的基坑模型圖。

圖1 基坑開挖及支護完成模型

3.3 模擬結果分析

3.3.1 基坑坑底隆起分析

坑底出現隆起情況是因為對坑內的土體進行開挖導致，挖出上層土相對于坑底來說是卸載作用，因此隨著基坑挖掘深度的不斷增加，坑底的隆起程度也會不斷增大[7]。坑底隆起位移云圖見圖2，從圖2可知，23.23mm是模擬的基坑開挖結束后的隆起最大值，其位置通常會在中間。

圖2 坑底隆起位移云圖

3.3.2 樁身水平位移分析

樁身水平位移云圖如圖3所示。

圖3 樁身水平位移云圖

從圖3可看出，樁身水平位移的變化趨勢類似于拋物線的形式，樁身水平位移的最大值為16.7mm。

3.3.3 錨索軸力分析

錨索軸力分布云圖如圖4所示。

圖4 部分錨索軸力分布云圖

分析圖4可知，錨具在不同方向上的軸力情況如下：

（1）從水平方向上看，錨索的軸力最大值位于中間部位，并向兩邊依次減小。

（2）從豎直方向上看，錨具結構的軸力分別為121kN、152kN及209kN。由此可見，隨著基坑開挖的持續，越下面的錨索其軸力就越大。

（3）從第一錨索分析，靠近樁身的軸力最大，中間部分較小，當到達錨固段的時候，變化趨勢是逐漸減小的，即從錨固開始到尾部，錨索的軸力是逐漸下降的。

4 結束語

（1）坑底隆起呈現出中間大，逐漸向兩邊減小的變形規律。體現出坑角對基坑隆起具有一定的限制作用。

（2）樁身水平位移的變化趨勢類似于拋物線的形式，樁身水平位移的最大值為16.7mm。。

（3）中間大兩邊小的變化趨勢是從水平方向上所得的結論；當從垂直方向上來分析時，錨具的軸力從上往下會依次增加。