基于MIDAS 深基坑桩锚支护数值模拟分析

杨林生 ，何 浩 ，曹 瑞

（1.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2.合肥学院，安徽合肥 230601）

0 引言

我国地大物博，不同地区的工程地质条件有一定的差异，因此不同地区基坑建设的借鉴意义不是很大。在这个信息时代，建设工程众多，安全要求越来越高，利用软件模拟工程的开挖和支护，有利于工程更快更安全的施工。张军等[1]利用有限元软件模拟实际工程，得出降水对于基坑稳定性影响较大。丁乐[2]用有限元软件模拟基坑施工，并以此作为安全评估的方法。蒋希雅等[3]利用有限元软件，得出开挖深度对基坑空间效应的影响较大。李方成等[4]利用MIDAS 软件进行模拟，得出基坑围护结构的变形情况与施工工序有很大的关系。李明瑛等[5]通过有限元软件模拟，为变形控制设计与工程监测提供依据。王延昭等[6]用有限元软件模拟，得出结论，圆形或者不规则的形状的基坑用内撑式较好。

1 工程概况

本工程位于湘潭市，在湘潭市政府西侧，拟建项目建筑为框架结构，地上四层，高为23.95m，本工程拟建政务中心、公共资源交易中心和市民活动中心。勘察时原有建筑已拆除，基坑场地地势不平，在基坑的西北角方向地势较低，基坑安全等级为一级。

2 工程地质条件

①杂填土，平均厚度7.5m；②淤泥质杂填土，平均厚度1.5m；③黏土，平均厚度为1.5m；④强风化岩，平均厚度为1.5m；⑤中风化岩，平均厚度为10m。

3 基坑支护方案

本工程基坑采用桩锚支护，为预应力锚杆加钻孔灌注桩。基坑开挖深度为9.3m，钻孔灌注桩的直径为1.2m，桩的间距为2m，嵌固深度为5m，混凝土强度为C30；锚杆共设置3 层，锚杆直径为150mm，倾角为30°，第一层锚杆长度为25m，锚固长度为17m，第二层锚杆长度为20m，锚固长度为14m；第三层锚杆长度为15m，锚固长度为10m。

基坑共分四次开挖，第一次开挖至2m，在距基坑顶面1.5m处进行第一层锚杆的施工；第二次开挖至4.5m，在距基坑顶面4m 处进行第二层锚杆的施工；第三次开挖至7m，在距基坑顶面6.5m 处进行第三层锚杆的施工；第四次开挖至基坑底部9.3m 处。

4 有限元计算

4.1 模型建立

根据实际工程的基坑尺寸来确定模型的尺寸，本基坑模型取土层边界宽为220m，基坑宽为80m，根据工程地质条件的参数来分别定义每层土体。采用修正莫尔库伦模型来模拟，不考虑排水固结及地下水渗流的影响。建模过程中，用梁单元表示围护桩，用植入式桁架表示锚杆，以此来模拟基坑的开挖和施工。边界条件的设置采用了软件的自动约束功能，并且添加自重，按照正常步骤，建立二维模型。

4.2 施工工况

工况一，初始地应力分析；工况二，围护桩施工；工况三，开挖至2m，在1.5m 处，进行第一层锚杆施工；工况四，开挖至4.5m，在4m 处，进行第二层锚杆施工；工况五，开挖至7m，在6.5m 处，进行第三层锚杆施工；工况六，开挖至9.3m。

5 模拟结果分析

如图1 所示，为不同开挖深度下围护桩的水平位移曲线图。开挖一，开挖到基坑深2m 处，此时开挖深度较小，最大水平位移为1.57mm；开挖二，开挖到基坑深4.5m 处，最大水平位移为3.53mm；开挖三，开挖到基坑深7m 处，最大水平位移为6.01mm；开挖四，开挖到基坑深9.3m 处，最大水平位移为9.19mm。随着开挖的越来越深，支护结构周围的土体被挖走，围护桩的水平位移逐渐增大。

如图2 所示，为不同开挖深度下，基坑底部的隆起位移图。开挖一，开挖到基坑深2m 处，此时开挖深度较小，隆起位移为2.45mm；开挖二，开挖到基坑深4.5m 处，隆起位移为7.08mm；开挖三，开挖到基坑深7m 处，隆起位移为11.87mm；开挖四，开挖到基坑深9.3m 处，隆起位移为16.65mm。随着开挖越来越深，基坑底部的隆起呈线性增大关系。

图1 围护桩的水平位移曲线

图2 基坑底部的隆起位移

6 影响围护桩变形的因素分析

6.1 围护桩的直径

本工程基坑围护桩的设计直径为1.2m，设计桩长为14.3m。现改变围护桩直径分别为 0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.8m、1.0m、1.1m，其他参数保持不变。如图3 所示，围护桩直径为0.2m时，围护桩最大水平位移为35.03mm，已经超过预警值，水平位移为所有不同围护桩直径中最大的。围护桩直径为0.3m 时，围护桩最大水平位移为17.86mm；围护桩直径为0.4m 时，围护桩最大水平位移为13.71mm；围护桩直径为1.1m 时，围护桩最大水平位移为9.27mm；围护桩直径为1.2m 时，围护桩最大水平位移为9.19mm。当围护桩直径增大时，就会增大围护桩截面惯性矩，这就使抗弯刚度增大，所以水平位移会减小。增大围护桩的直径，最大水平位移在不断减小。在围护桩直径接近本工程设计直径1.2m 时，此时对水平位移的影响并不大，在经济效益下，选择合理的围护桩直径具有最大的性价比，这才是最合理的。

图3 不同直径的围护桩水平位移

6.2 围护桩的嵌固深度

本工程基坑围护桩设计嵌固深度为5m，设计桩长为14.3m。现改变围护桩嵌固深度分别为7m、9m，其他参数保持不变。如图4所示，增加围护桩的嵌固深度，围护桩最大水平位移在不断减小。嵌固深度为5m 时，围护桩最大水平位移为9.19mm；嵌固深度为7m 时，围护桩最大水平位移为8.81mm，嵌固深度为9m 时，围护桩最大水平位移为8.36mm。当围护桩嵌固深度逐渐增大时，土层下的围护桩有了更大的被动土压力，以此来相互抵消主动土压力，所以水平位移会减小。虽然嵌固深度增大了，但是对基坑支护结构的稳定性改变并不明显，更深的嵌固深度固然对支护结构的稳定有帮助，但是在安全的范围内，盲目选择更大的嵌固深度是非常不可取的，不仅不经济，也增大了施工难度。按照规范[7]要求，维护桩应满足一定的嵌固深度，对于多支点结构，不宜小于基坑深度的0.2 倍。

图4 不同嵌固深度的围护桩水平位移

6.3 锚固长度

如图5 所示，保持其他参数保持不变，改变锚固长度。当不加锚固时，围护桩最大水平位移为51.34mm；减少3m 锚固长度时，围护桩最大水平位移为11.45mm；正常锚固时，围护桩最大水平位移为9.19mm。锚固段是维持支护结构稳定性的重要因素，这是因为锚固段和土层之间有较大的摩阻应力，摩阻应力越大，结构越稳定。不加锚固，围护桩最大水平位移远超允许的范围，支护结构严重失稳，对比之下，减少锚固长度，对围护桩影响较小，在本文的基坑中，减少3m 锚固对比正常锚固，对围护桩的水平位移影响并不大。

图5 改变锚固长度的维护桩水平位移

7 结论

针对湘潭市民之家深基坑支护工程，用有限元软件Midas－GTS-NX 进行分析，分别对不同围护桩直径和嵌固深度、锚固长度，进行了模拟，对比分析对围护桩最大水平位移的影响，得出了如下结论：

（1）增大围护桩直径，最大水平位移会减小。随着围护桩直径的增大，最大水平位移在不断减小，当围护桩的直径增大到一定程度时，继续增大直径，对支护结构稳定性影响会小很多，围护桩直径取0.8~1.2m 为宜。

（2）支护结构的嵌固深度对最大水平位移有一定影响，嵌固深度越大，最大水平位移越小，但在安全范围内，更深的嵌固深度并不合理也不经济，一般情况下，取5m 嵌固深度比较合适。

（3）锚固段产生的摩阻应力是保持支护结构稳定的重要因素，在不加锚固的情况下，支护结构已经失稳。