某深大基坑顶边水平位移数值模拟研究

孙 瑶

（长江三峡勘测研究院有限公司，湖北武汉430074）

某深大基坑顶边水平位移数值模拟研究

孙 瑶*

（长江三峡勘测研究院有限公司，湖北武汉430074）

采用MIDAS/GTS软件，对某一深大基坑顶边土体的水平位移进行了模拟研究。模拟结果显示，基坑开挖施工过程中，坑边土体的最大位移发生在东西两侧坑边中部，分别为12.1mm和11.5mm，而在南北两侧坑边的水平位移却相对较小。通过与现场实测数据对比，表明应用MIDAS/ GTS软件并根据前期工程勘察报告合理选取参数，不仅能够有效评价基坑的稳定性，还能预先了解基坑施工过程中坑外土体可能发生最大位移的位置，有利于提前设置安全防护措施并严密管理施工作业，保障施工人员和设备的安全。

基坑；坑边土体；水平位移；数值模拟；现场监测

1 概述

随着我国社会经济和人口数量不断增长，高层与超高层建筑越来越多，相应的基坑开挖工程也日益增多。在基坑开挖施工过程中，为了保证基坑与临近建筑安全，除了采取必要的降水与支护工程措施外，还需要在基坑开挖过程中对相应的区域进行实时监测。其中，基坑水平位移监测能够直接反映基坑边坡的稳定性，是指导基坑开挖的重要依据之一。因此，实时、准确地监测基坑水平位移的变化，对保证基坑开挖的施工安全具有重要意义[1-5]。此外，随着数值模拟技术广泛应用于岩土工程领域，有限单元法（以下简称有限元）以其很强的适用性、易掌握性以及便于计算机编程等优点得到了广泛的应用和发展。在运用有限元方法解决岩土工程技术问题时常用的方法有2种：总应力有限元法和有效应力有限元法。有限元法将问题用矩阵形式表达出来，便于编写相应的计算机程序，并且能够充分利用计算机高速、便捷、精确的优势[6-7]。因此，本文采用MIDAS/GTS软件对某地一个深大基坑顶边土体水平位移进行模拟研究，为该基坑支护结构应用效果评价提供技术支持。

2 工程概况

该基坑工程东西两面有建筑物，南北面为市政路，开挖平面呈矩形，周长约535m，开挖深度为10m，支护形式有“放坡+钻孔桩+搅拌桩+锚索”、“钻孔桩+旋喷桩+内支撑”和“放坡+钻孔桩+搅拌桩+内支撑”3种形式。根据前期工程勘察报告，勘探深度范围内的地层由上至下可划分为4个单元层，分别为填土层（平均厚度2.63m）、冲积土层（平均厚度31.09m）、残积土层（平均厚度7.63m）和基岩。基坑现场共布设23个坑边土体水平位移监测点，如图1所示。

图1 基坑坑边土体水平位移监测点布置示意图

3MIDAS/GTS模拟分析

3.1 模型介绍

本模型是以该基坑实际情况为基础并对其优化后所建立的三维基坑开挖模型。模型结构措施众多，有内支撑、围护桩、双排桩、冠梁、腰梁、立柱、预应力锚索等，且由于基坑跨度比较大（该基坑最长跨度163m，最宽跨度112m，呈一刀形），所以在模拟计算单元的划分上采取了非致密网格划分法，以避免最终因网格数太多而无法计算。在文献调研基础上，结合工程实际对结构措施进行了一定的简化。首先，通过刚度折减法将围护桩和双排桩等效为相应的地下连续墙；其次，对结构措施的参数进行了相应的调整以方便后续模拟计算。

根据MIDAS/GTS软件的变量设置要求对基坑参数做了如下优化：

（1）对基坑边线进行了规则化，使基坑平面图几何规则，但与实际情况相差不大。

（2）对基坑内的土层参数和分层进行了优化。首先，确定坑内各土层的平均厚度，并将与最上层填土层性质相差不大的稍薄粉质粘土层与填土层合并为第一层土层，将较厚的淤泥质土设为第二层土层直到坑底，将全风化岩设为坑底以下的第三层土。

（3）对于混凝土冲孔桩和双排混凝土搅拌桩，建模时均采用刚度折减法将其等效为地下连续墙，采用板单元进行模拟。

（4）对于立柱，因实际中采用角钢组，鉴于支撑的参数和角钢组捆绑后的性质，将立柱等效为同径圆柱形立柱。

所得到的源模型三维网格和结构措施如图2和图3所示。

图2 基坑源模型三维网格

图3 基坑开挖完成图（所有结构措施已添加）

3.2 模型构成要素参数选取

模型中的土体单元视为摩尔—库伦弹塑性材料，支撑、冠梁、腰梁等因为都是混凝土结构，采用梁单元，视为各向同性的线弹性材料，等效的地下连续墙采用板单元。模型中共有3层土体，由上到下分别是填土、淤泥质土和强风化的粉砂岩。梁单元均是采用C30混凝土。模型计算具体参数设置如表1和表2所示。

针对基坑的抗拉预应力锚索，由于其含有自由段且存在预应力，具有明显的非线性效应，因此，自由段是不与土体耦合的。结合实际情况，采用一维桁架单元模拟预应力锚索，使用GTS提供的锚建模助手来进行预应力锚索的建立，在锚索的自由度与锚固段添加预应力，同时在连接锚索的冠梁和腰梁上施加相应的均布荷载来平衡，均布荷载换算成力要和预应力大小相同，但方向相反。经过计算，将预应力锚杆弹性模量设置为2×105MPa，等效桁架截面积设置为1.374×10-4m2，长度均取46m。

3.3 模拟结果与分析

通过MIDAS/GTS软件分别模拟计算了该深大基坑在南北方向和东西方向上的坑边土体水平位移情况，并对两个方向耦合作用下坑边土体水平位移最危险位置进行了数值分析。

由于基坑西边不规则转折处和东部坑边水平位移较大，加之其他部位施工过程中的震动传递，易导致土体剥落，影响施工安全。因此，在基坑施工过程中，应严密监测转折处和东部坑边的土体表观形态变化，并在基坑内部采取合理的防护措施，以避免土体滑塌而引起安全事故。

表1 土层物理力学参数

表2 结构材料参数

表3 基坑边缘最大水平位移实测值

4 实测验证

在现场布设的23个坑边土体水平位移监测点中，由于安装、施工等原因，CX13、CX15和CX16监测点没有获取正常数据，故只获得了其他20个监测点的监测数据。坑边土体水平位移实测结果如表3所示，其中，正号表示水平位移方向指向基坑内部，负号表示水平位移方向指向基坑外部。

由表3可见，现场实测数据与数值模拟结果具有较好的吻合，表明采用MIDAS/GTS软件对该基坑进行的三维建模和参数选取是比较合理的，同时也表明基坑整体支护结构发挥了很好的安全防护作用，对于今后类似地质条件下的其他基坑工程的相关数值模拟研究具有较好的参考意义，有利于保证基坑施工安全和降低事故率。

5 结论与建议

采用MIDAS/GTS软件对该深大基坑坑边土体的水平位移模拟计算结果显示，基坑开挖施工过程中，沿基坑长边走向的方向上，坑边土体的最大位移发生在东西两侧坑边中部，分别为12.1mm和11.5mm，在施工中应对东西两侧坑边予以格外重视，而在南北两侧坑边的水平位移却相对较小，模拟计算结果与现场监测数据较好吻合。由此可见，根据前期工程勘察报告合理优化基坑各组成部分的参数设置，通过MIDAS/ GTS软件能够较为准确地预先评价基坑边缘土体的水平位移情况，进而对基坑支护措施作出相应的评价，有利于优化基坑开挖方案和支护措施，保证基坑施工安全，降低事故发生率，节省工期和成本。在今后的基坑工程中，尤其是深大基坑的施工，结合现有数值模拟技术，需深入研究基坑各构成要素的参数优化，从而使数值分析结果更接近实际、更可靠。

[1]袁登科，刘国彬.南京地区深基坑测斜警戒值的探讨[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32(10):1566-1570.

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[3]屠传豹，陈勇，刘国彬，李翔宇.地铁深基坑测斜监控指标的探讨及实践[J].岩土工程学报，2012，34(Supp.):28-32.

[4] 谷川，潘国荣.基坑测斜成果的二维拟合及其三维显示[J].铁道勘察，2005，31(6):4-6.

[5]王雨，刘国彬，屠传豹.基于遗传-GRNN在深基坑地连墙测斜预测中的研究[J].岩土工程学报，2012，34(5):167-171.

[6]程龙飞，袁宝远.基于前馈神经网络的基坑测斜位移校正与变形预测研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(12):2038-2041.

[7] Yunfeng Ge，Huiming Tang，Lei Huang.New Evaluation for Seismic Settlement in Soft Clay Based on Analytic Hierarchy Process and Clustering[C]//International Conference on Pipelines and Trenchless Technology 2011.Beijing:ASCE，2011: 458-468.

U231.4

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1004-5716(2015)10-0176-04

2015-04-08

2015-05-04

孙瑶（1982-），男（汉族），河南周口人，工程师，现从事岩土工程勘察与工艺技术工作。