周斌　李海濤

摘要：根據(jù)杭州某基坑項(xiàng)目，利用Midas/GTS軟件建立數(shù)值分析模型，模擬施工過(guò)程中不同施工階段的基坑動(dòng)態(tài)信息，并與基坑實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析基坑施工安全可靠性及Midas/GTS在軟土地基基坑中的適用性，利用模擬數(shù)據(jù)完善監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)施工做出指導(dǎo).結(jié)果表明，結(jié)合模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基坑施工安全可靠，且模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較高，驗(yàn)證了Midas/GTS的適用性，可以利用軟件和監(jiān)測(cè)結(jié)合，對(duì)基坑施工進(jìn)行指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：有限元;數(shù)值模擬;軟土地基;深基坑;監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU443? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）09-0100-03

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析方法在工程中應(yīng)用廣泛.趙中椋通過(guò)Midas/GTS模擬三維基坑支護(hù)過(guò)程，為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性分析提供更有利的技術(shù)支持[1].高盟利用過(guò)FLAC3D建模來(lái)模擬深基坑工程開(kāi)挖，對(duì)比有限元分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為類(lèi)似工程施工提供參考依據(jù)[2].程祖鋒以工程實(shí)例為背景，采用ABAQUS軟件對(duì)基坑的施工過(guò)程進(jìn)行分析，并討論及時(shí)有效的隧道保護(hù)措施[3].李磊等采用ABAQUS對(duì)地鐵深基坑的開(kāi)挖施工進(jìn)行了模擬，分析了對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素，驗(yàn)證圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[4].姜波利用數(shù)值模擬分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，分析了基坑開(kāi)挖時(shí)維護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素并提出合理建議[5].

本文以杭州某市政隧道基坑項(xiàng)目為背景，利用Midas/GTS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬所得地下連續(xù)墻位移、地表沉降、支撐軸力與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析產(chǎn)生誤差的原因，為此工程或類(lèi)似工程施工和監(jiān)測(cè)提供有益的指導(dǎo)性建議.

1 工程實(shí)例概況

1.1 概況

杭州市地鐵某線市政隧道位于車(chē)輛段用地范圍內(nèi)，市政隧道基坑標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖寬度27.4m，長(zhǎng)度123.2m，現(xiàn)狀地面標(biāo)高約為6.40～6.55m，開(kāi)挖深度約為13.5m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐體系（第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，剩下兩道支撐均為鋼管支撐，鋼支撐參數(shù)φ609，t=16mm），插入比約為1.1.

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，市政隧道工程土質(zhì)自上而下分布情況見(jiàn)表1.

1.3 水文條件

根據(jù)鉆探揭露：勘探深度范圍內(nèi)地下水類(lèi)型主要可分為松散巖類(lèi)孔隙潛水、松散巖類(lèi)孔隙承壓水和基巖裂隙水.根據(jù)詳勘測(cè)得潛水穩(wěn)定水位埋深為地面下0.00～4.20m，相當(dāng)于85國(guó)家高程4.08～7.86m，自然歷史條件下年水位變幅約為1.0～2.0m，潛水流速緩慢，對(duì)工程建設(shè)影響小;測(cè)得承壓水水位埋深1.45m，相當(dāng)于85國(guó)家高程5.45m.

2 Midas/GTS有限元分析

2.1 材料參數(shù)選擇

（1）為便于建模計(jì)算且使結(jié)果直觀，假定基坑施工影響范圍內(nèi)土體均為分層均質(zhì)水平分布杭州地區(qū)地下水含量豐富且地質(zhì)較特殊，故土體采用改進(jìn)摩爾-庫(kù)侖模型計(jì)算;

（2）對(duì)于鋼筋混凝土支撐、剛支撐均視為線彈性材料;

（3）地下連續(xù)墻的本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型.

2.2 施工階段分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)支撐實(shí)際施工情況，將整個(gè)基坑施工階段分為4階段，并利用Midas/GTS軟件施工階段助手來(lái)模擬該基坑施工過(guò)程，對(duì)其施工過(guò)程提出指導(dǎo)意見(jiàn)，保證基坑施工安全.施工階段劃分見(jiàn)表2.

2.3 有限元模擬結(jié)果

利用Midas/GTS軟件所以建立的市政隧道基坑模型圖見(jiàn)圖1，利用該模型求解所得結(jié)果見(jiàn)表3.

3 數(shù)據(jù)比較與分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將模擬所得數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)對(duì)比分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工做出指導(dǎo).在施工現(xiàn)場(chǎng)中，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能因施工原因?qū)е聼o(wú)法按時(shí)取得有效數(shù)據(jù)，利用有限元模擬做出準(zhǔn)確預(yù)判，可以以此作為施工依據(jù).

3.1 地下連續(xù)墻位移比對(duì)分析

在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑內(nèi)外的土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，這種改變將引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受荷載并導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形中任何量值超出允許值，都將造成基坑的失穩(wěn)破壞進(jìn)而會(huì)使周?chē)徑ㄖ锛暗叵陆Y(jié)構(gòu)遭受破壞[6].當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到控制變形的要求時(shí)，如果此時(shí)基坑變形仍過(guò)大，應(yīng)從別的方面找出原因，如果仍然盲目的增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，不僅不能有效的控制基坑開(kāi)挖變形，還會(huì)造成資源浪費(fèi)、成本增加[7].這時(shí)可以結(jié)合數(shù)值模擬軟件與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，驗(yàn)證基坑安全性及如何提高基坑開(kāi)挖過(guò)程中的安全.軟件計(jì)算所得數(shù)值與實(shí)測(cè)所得數(shù)值的比較見(jiàn)圖2，其中施工階段1基坑尚未開(kāi)挖，作為初始階段，軟件計(jì)算過(guò)程中將其位移清零.

從上圖可以看出，用Midas/GTS軟件算得數(shù)據(jù)與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較好.不論是計(jì)算所得地下連續(xù)墻最大位移還是實(shí)測(cè)所得地下連續(xù)墻最大位移，其值都在基坑施工控制范圍（40mm）內(nèi)，說(shuō)明基坑施工安全.

施工階段2實(shí)測(cè)位移比計(jì)算位移大，其可能原因是在施工過(guò)程中，進(jìn)場(chǎng)的鋼支撐堆放在基坑周?chē)抑車(chē)嬖谑┕ず奢d，使得實(shí)測(cè)位移較計(jì)算值偏大.施工階段4可能是由于周?chē)嬖谏倭渴┕ず奢d，使得實(shí)測(cè)值稍微偏大.施工階段5則是基坑即將進(jìn)入結(jié)構(gòu)施作階段，周?chē)娣帕瞬糠窒乱浑A段施工所需機(jī)械及材料，故實(shí)測(cè)位移較大.

3.2 地表沉降比對(duì)分析

在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑內(nèi)外的土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致基坑四周的地表出現(xiàn)沉降，土體沉降的最大值出現(xiàn)在距離基坑邊緣的遠(yuǎn)端，而不是基坑的邊緣處，且離基坑的距離越大，沉降值也逐漸增大，到達(dá)一定距離后達(dá)到最大值[8].利用Midas/GTS軟件計(jì)算地表最大沉降值與實(shí)測(cè)值比較見(jiàn)圖3.圖中，實(shí)測(cè)值都較計(jì)算值偏大，與基坑周?chē)嬖谑┕ず奢d有較大關(guān)系.此有限元分析因基坑施工過(guò)程中基坑周?chē)┕ず奢d不能確定而未考慮附加荷載，故計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏小是完全合理的.由圖3可見(jiàn)，有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合.基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑各側(cè)周?chē)孛?m范圍內(nèi)不應(yīng)增加附加荷載，2m范圍以外附加荷載不得超過(guò)20kpa.當(dāng)重型機(jī)械要在基坑邊作業(yè)時(shí)，施工單位應(yīng)采取專(zhuān)門(mén)的路面硬化或基礎(chǔ)處理措施，并提交設(shè)計(jì)單位進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算.本基坑施工，基坑周?chē)两盗慷荚诳刂品秶?0mm）內(nèi)，說(shuō)明對(duì)周?chē)郊雍奢d控制較好.

3.3 最大混凝土支撐軸力比對(duì)分析

在某一施工時(shí)步，外荷載不變，土體應(yīng)力不增加，變形不斷增大，導(dǎo)致基坑變形和支護(hù)內(nèi)力升高，所以支護(hù)不及時(shí)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力顯著增大，因此，支護(hù)時(shí)機(jī)的把握和利用支護(hù)形式是否合理對(duì)基坑的安全是非常重要的[9].Midas/GTS軟件計(jì)算的最大鋼筋混凝土支撐軸力與實(shí)測(cè)最大軸力比較見(jiàn)表4.由表4可見(jiàn)，有限元分析所得軸力與實(shí)測(cè)軸力還是比較吻合的.計(jì)算最大軸力比實(shí)測(cè)最大軸力小，這也反映了基坑施工過(guò)程中存在的復(fù)雜情況以及基坑頂部各側(cè)周?chē)母郊雍奢d.

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)Midas/GTS軟件有限元分析數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以看出，有限元分析與工程實(shí)際吻合度較好，說(shuō)明Midas/GTS在模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中具有一定參考價(jià)值.在施工過(guò)程中存在部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)被遮擋覆蓋等情況下，利用Midas/GTS進(jìn)行有限元分析，以此完善監(jiān)測(cè)結(jié)果，并且結(jié)果可靠度較高.

（2）從地下連續(xù)墻位移、地表沉降、支撐軸力比對(duì)分析，能夠看出基坑處于穩(wěn)定可控狀態(tài)，保證了施工的安全可控.對(duì)于需要重型機(jī)械要在基坑邊作業(yè)時(shí)，可以利用Midas/GTS進(jìn)行分析，其分析結(jié)果具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值.

（3）本文嘗試建立的有限元模型僅考慮較常見(jiàn)且有據(jù)可依的施工影響因素，而對(duì)于復(fù)雜多變的施工情況，附加荷載，降雨降雪等條件并未考慮，如需要更精確的有限元分析，則需要更加細(xì)致地添加相應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工條件因素.

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