软土地基基坑数值模拟与实测数据比较分析

周斌　李海涛

摘要：根据杭州某基坑项目，利用Midas/GTS软件建立数值分析模型，模拟施工过程中不同施工阶段的基坑动态信息，并与基坑实际监测数据对比，分析基坑施工安全可靠性及Midas/GTS在软土地基基坑中的适用性，利用模拟数据完善监测数据，对施工做出指导.结果表明，结合模拟数据与实测数据，基坑施工安全可靠，且模拟数据与实测数据吻合度较高，验证了Midas/GTS的适用性，可以利用软件和监测结合，对基坑施工进行指导.

关键词：有限元;数值模拟;软土地基;深基坑;监测

中图分类号：TU443  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）09-0100-03

随着计算机技术的发展，有限元分析方法在工程中应用广泛.赵中椋通过Midas/GTS模拟三维基坑支护过程，为基坑围护结构安全性分析提供更有利的技术支持[1].高盟利用过FLAC3D建模来模拟深基坑工程开挖，对比有限元分析与现场监测数据，为类似工程施工提供参考依据[2].程祖锋以工程实例为背景，采用ABAQUS软件对基坑的施工过程进行分析，并讨论及时有效的隧道保护措施[3].李磊等采用ABAQUS对地铁深基坑的开挖施工进行了模拟，分析了对维护结构变形的影响因素，验证围护结构设计的合理性[4].姜波利用数值模拟分析基坑支护结构的变形，分析了基坑开挖时维护结构变形的影响因素并提出合理建议[5].

本文以杭州某市政隧道基坑项目为背景，利用Midas/GTS软件进行数值模拟，并将模拟所得地下连续墙位移、地表沉降、支撑轴力与工程实测数据对比，分析产生误差的原因，为此工程或类似工程施工和监测提供有益的指导性建议.

1 工程实例概况

1.1 概况

杭州市地铁某线市政隧道位于车辆段用地范围内，市政隧道基坑标准段开挖宽度27.4m，长度123.2m，现状地面标高约为6.40～6.55m，开挖深度约为13.5m，围护结构采用800mm厚地下连续墙加内支撑体系（第一道支撑为钢筋混凝土支撑，剩下两道支撑均为钢管支撑，钢支撑参数φ609，t=16mm），插入比约为1.1.

1.2 地质条件

根据地质勘察报告，市政隧道工程土质自上而下分布情况见表1.

1.3 水文条件

根据钻探揭露：勘探深度范围内地下水类型主要可分为松散岩类孔隙潜水、松散岩类孔隙承压水和基岩裂隙水.根据详勘测得潜水稳定水位埋深为地面下0.00～4.20m，相当于85国家高程4.08～7.86m，自然历史条件下年水位变幅约为1.0～2.0m，潜水流速缓慢，对工程建设影响小;测得承压水水位埋深1.45m，相当于85国家高程5.45m.

2 Midas/GTS有限元分析

2.1 材料参数选择

（1）为便于建模计算且使结果直观，假定基坑施工影响范围内土体均为分层均质水平分布杭州地区地下水含量丰富且地质较特殊，故土体采用改进摩尔-库仑模型计算;

（2）对于钢筋混凝土支撑、刚支撑均视为线弹性材料;

（3）地下连续墙的本构关系采用线弹性模型.

2.2 施工阶段分析

根据现场支撑实际施工情况，将整个基坑施工阶段分为4阶段，并利用Midas/GTS软件施工阶段助手来模拟该基坑施工过程，对其施工过程提出指导意见，保证基坑施工安全.施工阶段划分见表2.

2.3 有限元模拟结果

利用Midas/GTS软件所以建立的市政隧道基坑模型图见图1，利用该模型求解所得结果见表3.

3 数据比较与分析

结合现场实际施工情况与监测数据，将模拟所得数据与实际监测所得数据对比分析，对现场施工做出指导.在施工现场中，部分监测点可能因施工原因导致无法按时取得有效数据，利用有限元模拟做出准确预判，可以以此作为施工依据.

3.1 地下连续墙位移比对分析

在深基坑开挖过程中，基坑内外的土体应力状态发生改变，这种改变将引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形，围护结构的内力和变形中任何量值超出允许值，都将造成基坑的失稳破坏进而会使周围邻近建筑物及地下结构遭受破坏[6].当围护结构刚度达到控制变形的要求时，如果此时基坑变形仍过大，应从别的方面找出原因，如果仍然盲目的增加围护结构刚度，不仅不能有效的控制基坑开挖变形，还会造成资源浪费、成本增加[7].这时可以结合数值模拟软件与实测数据结合，验证基坑安全性及如何提高基坑开挖过程中的安全.软件计算所得数值与实测所得数值的比较见图2，其中施工阶段1基坑尚未开挖，作为初始阶段，软件计算过程中将其位移清零.

从上图可以看出，用Midas/GTS软件算得数据与工程实测数据吻合度较好.不论是计算所得地下连续墙最大位移还是实测所得地下连续墙最大位移，其值都在基坑施工控制范围（40mm）内，说明基坑施工安全.

施工阶段2实测位移比计算位移大，其可能原因是在施工过程中，进场的钢支撑堆放在基坑周围且周围存在施工荷载，使得实测位移较计算值偏大.施工阶段4可能是由于周围存在少量施工荷载，使得实测值稍微偏大.施工阶段5则是基坑即将进入结构施作阶段，周围存放了部分下一阶段施工所需机械及材料，故实测位移较大.

3.2 地表沉降比对分析

在深基坑开挖过程中，基坑内外的土体应力状态发生改变，会导致基坑四周的地表出现沉降，土体沉降的最大值出现在距离基坑边缘的远端，而不是基坑的边缘处，且离基坑的距离越大，沉降值也逐渐增大，到达一定距离后达到最大值[8].利用Midas/GTS软件计算地表最大沉降值与实测值比较见图3.图中，实测值都较计算值偏大，与基坑周围存在施工荷载有较大关系.此有限元分析因基坑施工过程中基坑周围施工荷载不能确定而未考虑附加荷载，故计算值较实测值偏小是完全合理的.由图3可见，有限元分析结果与实测数据较吻合.基坑开挖过程中，基坑各侧周围地面2m范围内不应增加附加荷載，2m范围以外附加荷载不得超过20kpa.当重型机械要在基坑边作业时，施工单位应采取专门的路面硬化或基础处理措施，并提交设计单位进行复核验算.本基坑施工，基坑周围沉降量都在控制范围（30mm）内，说明对周围附加荷载控制较好.

3.3 最大混凝土支撑轴力比对分析

在某一施工时步，外荷载不变，土体应力不增加，变形不断增大，导致基坑变形和支护內力升高，所以支护不及时引起围护结构受力显著增大，因此，支护时机的把握和利用支护形式是否合理对基坑的安全是非常重要的[9].Midas/GTS软件计算的最大钢筋混凝土支撑轴力与实测最大轴力比较见表4.由表4可见，有限元分析所得轴力与实测轴力还是比较吻合的.计算最大轴力比实测最大轴力小，这也反映了基坑施工过程中存在的复杂情况以及基坑顶部各侧周围的附加荷载.

4 结语

（1）通过Midas/GTS软件有限元分析数据与实测的数据的对比分析，可以看出，有限元分析与工程实际吻合度较好，说明Midas/GTS在模拟基坑开挖过程中具有一定参考价值.在施工过程中存在部分监测点被遮挡覆盖等情况下，利用Midas/GTS进行有限元分析，以此完善监测结果，并且结果可靠度较高.

（2）从地下连续墙位移、地表沉降、支撑轴力比对分析，能够看出基坑处于稳定可控状态，保证了施工的安全可控.对于需要重型机械要在基坑边作业时，可以利用Midas/GTS进行分析，其分析结果具有相当的参考价值.

（3）本文尝试建立的有限元模型仅考虑较常见且有据可依的施工影响因素，而对于复杂多变的施工情况，附加荷载，降雨降雪等条件并未考虑，如需要更精确的有限元分析，则需要更加细致地添加相应现场施工条件因素.

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参考文献：

〔1〕赵中椋.基于MIDAS-GTS基坑支护三维数值模拟分析[D].辽宁师范大学，2014.

〔2〕高盟，高广运，冯世进，余志松.基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究[J].岩土工程学报，2008（06）：818-823.

〔3〕程祖锋，师欢欢，徐光兵.基于ABAQUS的深基坑变形和内力三维有限元分析[J].煤炭工程，2013，45（09）：119-121.

〔4〕李磊，段宝福.地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2013，32（S1）：2684-2691.

〔5〕姜波.某深基坑支护结构变形分析与数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2016， 35（01）：37-41.

〔6〕马野，王瑞芳，雷颖.基于Midas/GTS的深基坑数值模拟分析[J].山西建筑，2018，44（25）：96-97.

〔7〕李兆瑞，汪东林.某深基坑工程围护结构变形规律分析[J].河南城建学院学报，2017，26（01）：47-52.

〔8〕徐孟龙，王辉.某住宅楼基坑支护FLAC3D数值模拟分析[J].河南城建学院学报，2018，27（02）：56-60.

〔9〕郭海柱，张庆贺，朱继文，姚海明.土體耦合蠕变模型在基坑数值模拟开挖中的应用[J].岩土力学，2009，30（03）：688-692+698.