基坑地连墙支护结构变形的有限元分析

基坑地连墙支护结构变形的有限元分析

熊浪波

浙江土工基础工程有限公司浙江杭州310000

摘要：以某工程为背景。采用有限元软件MIDAS／GTS建立三维模型，对该基坑开挖过程进行了数值模拟，分析基坑开挖过程中支护结构的变形情况，并与实测数据作对比分析。研究表明，基坑开挖的深度与地连墙的水平位移变形呈正比。而且支护结构的变形呈现“两头大、中间小”的变形规律，通过与实际监测数据进行对比分析表明。该方法对实际工程具有一定的指导意义。

关键词：基坑开挖；Midas／GTS；数值模拟；变形

伴随城市化进程的加快，城市土地开发引发的交通问题愈来愈困扰着城市的发展，各大城市基坑工程也相继开动。工程建设中深基坑的规模、形式和数量都空前发展，出现了越来越多以地下连续墙为围护结构的狭长深基坑。深基坑开挖是地下工程施工中的一个综合性岩土工程难题，基坑开挖过程中不但要保证基坑支护结构自身安全与稳定，而且还要控制因大面积卸荷导致周围土体的变形，从而确保周围邻近建筑物和地下管线的正常使用。本文以某深基坑开挖工程为例，应用有限元软件MIDAS／GTS模拟分析基坑开挖引起的邻近浅基础建筑物沉降及支护结构的变形规律。并且通过进一步研究支护结构卡抗弯刚度EI、地连墙嵌固深度及施工工况对基坑变形规律的影响，为该支护形式下的深基坑设计与施工提供一定参考。

1工程应用

1.1工程概况

某市拟开挖J2区YKl0+615～YKl0+650里程段基坑长约313m，施工方法为明挖顺作法，采用Ф800地连墙作为基坑开挖时的支护结构，且不参与主体结构受力。基坑跨度约45m，开挖深度为14.3m～15.3m，地连墙深27.5m，格构柱下的Ф1000钻孔灌注桩长约12.5m。本里程段共设4道横撑，第一道为lm×lm的混凝土支撑，2-4层支撑采用Ф6091／1111（8=16mm）@3m的钢管。为增加支护结构的横向刚度，横向设置了两道立柱间距3m。

1.2计算参数的选取

各物理参数及土层变化严格按照原设计图及地质勘察报告取值，部分不详参数按相关规范选取。为了便于建模，对某些力学参数相近的土层进行近似合并。

1.3三维数值模型的建立

基坑开挖深度为16.25m、宽度为45m。为尽量减小人为边界对计算结果的影响，计算模型水平方向取至基坑范围外40m，竖直方向从墙底底向下取19.5m。基坑开挖范围内单元采用lm大小的四边形单元，开挖范围外采用lm一5m大小的四边形单元，混凝土支撑及横撑采用桁架单元模拟，总计划分单元1902个。模型边界条件为：左、右边界并方向位移为0；下边界z、Y、z方向位移均为0；前后边界Y方向位移为0。

1.4分析计算

基坑开挖在充分考虑时间、空间效应的前提下，分层开挖、先支撑后开挖、每次开挖规定深度、严禁超挖的原则，随挖随撑，做好基坑排水，减少坑底暴露时间嘲。分部开挖，设地连墙和桩、坑底不加固等。为了满足基坑开挖施工需要，每道一道支撑离开挖面总有一定距离（本工程为0.5m）。考虑实际施工过程，共划分7个计算工况（以桩顶作为标高0.00m）。

①计算工况1：初始地应力平衡。把原状土激活，计算初始地应力，位移清零。

②计算工况2：施作地连墙，施加地面超载（一20kPa）。

③计算工况3：初始开挖1m杂填土（一1．0m）。

④计算工况4：施作混凝土八角支撑及主支撑、混凝土连系梁，开挖至第l道支撑下0．5m（一5．2m）。

⑤计算工况5：施作第1道钢支撑及钢围檩并施加设计的预应力，开挖至第2道支撑下0．5m（-9m）。

⑥计算工况6：施作第2道钢支撑及钢围檩并施加设计的预应力。开挖至第2道支撑下0．5m（一12．75m）。

⑦计算工况7：施作第3道钢支撑及钢围檩并施加设计的预应力，开挖至坑底（一16．25m）。

计算中分析过程采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果。上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化都会影响到后续阶段的分析结果。

1.5模拟结果与分析

对于基坑工程，土体是产生荷载的主要来源，但同时也是支撑体系的一部分，支护结构的变形不仅影响基坑的稳定性，也会使土体所受到的荷载和分布形态发生改变；由于基坑土方开挖卸载作用改变了原有的应力状态，必然会导致支护结构发生变形。不同工况下支护结构沿深度的变形情况。提取各工况下模型的整体水平位移云图可知：

①基坑开挖的深度与地连墙的水平位移变化量近似呈正比，地连墙水平位移随着开挖深度的增加而增加。地连墙的在最后一次开挖结束后出现水平位移最大值。

②现对各工况下墙体水平位移的变化情况作对比分析，可知：支护结构的变形呈现“两头大、中间小”，这与常见多支撑围护结构变形规律吻合，验证了该计算模型的可行性。其中第一步开挖后，墙体在顶部位移处产生的水平位移较大，此时围护结构受力形式类似一根悬臂梁；第二步开挖后，墙体的位移分布形态有了一定变化，最大位移值点出现于开挖面以下4~5m处；第三步、第四步开挖后，随着钢支撑的架设完毕，墙体最大水平位移点逐渐向基坑下部移动，形成基坑中下部变形量最大的态势，所以应该在中下部位置加强监测且要减少土体的暴露时间，钢支撑架设要及时。

2计算值与实测值的对比

作为起支护作用的地连墙，对其位移情况的实时监测，对于基坑、周边建筑物、地下管线的稳定等具有非常重要的意义；必须使其最大位移不超过最大容许值。现选取地连墙附近测斜点CX3的监测值，将其与计算值作对比可知，随着开挖深度的增大，支护结构的水平位移不断增加，且计算值与实测值基本一致，说明本模型基本准确，参数选取合理。但计算值较实测值偏大，可能是由于基坑开挖前已打入一定数量的工程桩等，使坑底得到了一定程度的加固，但本次模拟中未能考虑这些因素的影响。

结论

本文针对J2区YK10+615~YK10+650里程段基坑应用有限元软件MIDAS/GTS进行三维有限元模拟分析，并与实测数据对比，可得如下结论。

①基坑开挖的深度与地连墙的水平位移变化量呈正比，地连墙水平位移随着开挖深度的增加而增加。地连墙在最后一次开挖结束后出现水平位移最大值。

②支护结构的变形呈现“两头大、中间小”，这与常见多支撑围护结构变形规律吻合。

③通过与实测数据的对比得出有限元模拟结果与实际监测值相差不大，结果较为可靠可以反映实际情况，此模型具有可行性，比较符合实际，对实际工程有一定的指导意义。

④本次基坑数值模拟未考虑地下水的影响，关于地下水对于基坑围护结构以及周边环境的影响有待进一步研究。

参考文献

[1]江晓峰，刘国彬，张伟立，等.基于实测数据的上海地区超深基坑变形特征研究[J].岩土工程学报，2010（S2）.

[2]刘宝琛.综合利用城市地面及地下空间的几个问题[J].岩石力学与工程学报，2015（1）.

[3]张建全.北京某深基坑工程施工监测与成果分析[J].工程勘察，2016（2）.

[4]杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[J].岩土力学，2014（12）.

[5]秦前波，方引晴.基坑开挖及上盖荷载对下卧隧道结构的影响分析[J].建筑结构，2012（6）.