基于数值模拟的深基坑支护设计

刘 帅， 李向群

(吉林建筑大学 测绘与勘察工程学院, 吉林 长春 130118)

随着改革步伐的加快，建筑行业的发展日新月异。为了满足经济建设的需要，高层与超高层拔地而起，城市建设用地日趋紧张。为了能够更高效地利用土地资源，缓解城市用地的紧张局面，深基坑已经成为建筑高层与超高层不可避免的选择。基坑工程不仅仅是一项单一的工程项目，有很多的繁琐性与复杂性，涉及的学科知识众多。基坑工程的设计和施工与实际情况联系密切，如果对现场的地质勘察不清楚和周围环境考虑不周，可能会造成基坑的失稳或者坍塌等严重事故。为了有效预防此类事故，对基坑开挖过程中出现的变形情况进行现场监测，若有问题出现，可以进行及时处理和加固。这种现场监测手段是在施工过程中对基坑变形情况的监管，无法起到预测的作用。有限元分析软件，可以对基坑开挖过程进行数值模拟，能有效对基坑施工过程中可能产生的变形和沉降情况进行预测，对基坑的变形规律进行更好地归纳与总结，提出基坑结构设计和施工中存在的问题，以及合理的改进措施。

1 基坑工程的特点

基坑工程是一项综合性较强的工程，涉及支护结构的设计与施工、土方的开挖与回填、基坑周围土体与建筑物的变形监测、信息化施工等多个方面[1]。基坑工程同时还具有风险性、区域性、时空效应和环境效应等方面的特点，需要众多学科理论知识的支持。

(1)区域性强。基坑工程在支护结构设计和施工过程中需要考虑的因素很多，包括地质条件、水文条件以及气象条件等，这些都不可以被忽视。同时基坑周围环境情况，如:周边建筑物、地下管线和地下管道等，也需要进行考虑。基坑的结构设计和施工方案不能挪用外地工程的方案，要遵循因地制宜的原则。

(2)综合性较强。基坑工程需要多个学科的专业知识，包含了岩土工程、结构工程、工程测量和有限元分析等。基坑工程从设计到完工需要多个步骤，这些工序之间联系紧密，若在整个施工当中有任何一个工序出现问题，都可能导致安全事故。

(3)时空和环境效应显著。时空效应主要表现在，由于土体蠕变的特性，基坑开挖深度、面积等因素的不同，导致土体的稳定性和强度存在着差异，随着时间的推移变化更加明显。同时，基坑开挖深度不段加大，土体原有的受力平衡状态被打破，也会造成时空效应的出现。环境效应主要表现是，基坑开挖对周围建筑和地下管线会造成影响。因此，在基坑支护设计和施工中应把这些因素充分考虑在内。

(4)支护结构的临时性。基坑开挖时为了自身系统和周围环境的安全稳定，实施一种临时结构支护，其建设周期较短，成本较高，降低造价，事故发生的风险会增大[2]。

2 基坑支护数值模拟

2.1 模型的建立

根据地质勘察中土层的性质，土体本构模型选用摩尔-库伦模型。基坑开挖时影响范围的选取，一般与基坑开挖深度、土质条件和地下水渗流程度等因素有关，基坑在数值模拟时影响区域边界的大小对计算结构的精确度有很大的影响[3-4]。基坑对周围土体影响范围的选取,通常是从基坑壁边界向周围扩大3～4倍的开挖深度，深度影响范围约取2～4倍的桩长的深度[5]。某基坑工程的开挖深度为9 m,宽度为17 m,采用桩锚加混凝土内支撑的复合支护方式。根据基坑开挖深度和周围环境的情况，在影响范围边界选取上，模型的X方向(水平方向)为70 m,模型的Y方向(土层竖直方向)为36 m。利用Midas GTS软件对基坑开挖建立二维模型进行模拟。二维模型选用混合网格生成器进行网格划分，基坑开挖区选用0.5 m的尺寸，影响区域边界选用1.5 m的尺寸，依次从疏到密进行划分，共划分成3 842个网格单元，如图1所示。

图1 数值模型图

2.2 施工工况

基坑的开挖与支护一共分为5个施工步骤，设置5种工况进行模拟和分析。

工况1：初始应力场分析,把各个土层进行激活，施加自重和边界荷载，勾选位移清零；

工况2：进行围护桩施工;

工况3：开挖至3 m处，在0.5 m位置处进行混凝土内支撑施工；

工况4：开挖至6 m处，在3 m位置处进行混凝土内支撑和锚杆施工，锚索入射角度为15°，锚索分为两部分，自由段为4 m，锚固段为6 m,提前施加的预应力为100 kN；

工况5：开挖至9 m处，在6 m位置处进行混凝土内支撑和锚杆施工，锚索入射角度为15°，锚索分为两部分，自由段为4 m，锚固段为6 m,提前施加的预应力为100 kN。

2.3 基坑水平位移结果分析

随着施工的进行，开挖深度逐渐加大，土体原来的平衡状态被打破，应力出现变化，应力重新分布再次达到平衡状态。基坑不同部位产生的位移不同，其不同区域受到的应力情况也有差异。开挖支护完成时模拟出的水平位移云图，如图2所示。

从图2可以看出：随着开挖深度的加大，覆盖的土体逐渐减少，基坑下部土体出现卸荷，从原本的固结状态转换为超固结状态，应力得到释放，基坑土体的水平位移不断加大，最大水平位移为1.67 mm,是开挖深度的0.012%，满足基坑规范要求。

图2 水平位移云图

2.4 基坑竖直位移结果分析

随着基坑施工的进行，开挖深度不断加大，基坑周围土体的竖向位移也不断变化。基坑工程最后施工工序模拟完成后的竖直位移云图如图3所示。云图中信息栏中负值为沉降量，正值为基坑土体隆起量。

图3 基坑竖向位移云图

从图3可以得出：随着基坑不断开挖，基坑周围沉降量和沉降范围也随之逐渐增大。基坑内部随着土体被开挖卸除荷载，开挖区下部土体出现回弹现象，基坑壁外侧土体的自重也会加大坑底的隆起量。从图中可以看出，基坑壁附近的土体隆起量并不是最大，最大隆起量在坑底中间位置，正是离两侧围护桩距离最大的位置。基坑外侧的最大沉降量并不在基坑壁附近，而是在距离基坑壁一定距离处的位置。基坑开挖完成时，基坑最大沉降量为6.18 mm，符合规范要求。

2.5 支护桩的模拟分析

在对基坑开挖进行模拟完成后，支护桩的水平位移变化云图如图4所示。

图4 支护桩水平位移图

从图4可以看出：支护桩的水平位移量随着基坑开挖深度加大而加大，基坑开挖施工模拟完成后，桩体最大的位移为1.44 mm左右，支护桩中部的位移量处于6～14 mm之间;支护桩最小水平位移量，处于桩3 m左右的位置，位移值为0.1 mm。支护桩的嵌固深度为7 m，从位移云图可以看出在桩嵌固深度部分的水平位移量比较小。由图可对桩体位移规律进行有效总结，从上到下桩体水平位移量先逐渐增大后逐渐减小。在今后基坑工程的开挖施工中，对桩体的水平位移情况的监测也不能忽视。

3 结 语

本文以基坑桩锚加内支撑复合支护结构为研究对象，利用Midas/GTS NX有限元软件对基坑开挖过程进行数值模拟，用模拟结构对基坑开挖时的水平和竖直位移变化规律进行研究，同时对支护桩的水平位移情况进行分析。

(1)对基坑模拟完成的水平位移云图进行分析可知，基坑侧壁土体向坑内移动趋势随着基坑开挖深度的加大而逐渐加大，土体的水平位移值与离基坑侧壁距离的远近成负相关，位移量随其距离的增大而减小。基坑在开挖初始阶段就已经出现土体水平位移。实际基坑开挖从开始到结束，应该密切注意基坑侧壁水平位移的监测，预防施工安全事故。

(2)随着基坑开挖深度的加大，基坑侧壁附近的土体竖向位移逐渐的增大。基坑内土体出现隆起，基坑外侧地表产生沉降。基坑的最大沉降量和隆起量不是在基坑侧壁附近，最大隆起量在离围护桩较远位置处，最大沉降量在距离基坑侧壁一定距离处。在开挖初期基坑周围土体已经出现沉降现象。在基坑施工过程中，应当密切注意基坑侧壁外侧地表、相邻建筑物和埋藏地下管线的竖向位移情况。

(3)由于连梁的作用，支护桩水平位移随着桩体嵌固深度的增大而逐渐减小，这是因为桩底端嵌入到底部土体当中，土体对桩体的水平位移起到了一定的约束作用。在实际的工程施工当中应当加强对桩体的水平位移变化的监测。