孔繁慧

（陜西恒業(yè)建設集團有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

如圖1 所示，基坑的寬×深為30 m×20 m，選擇研究區(qū)域寬×深為200 m×100 m，研究區(qū)域寬和深分別約為基坑的7倍和5 倍，結合工程經(jīng)驗可知，基坑開挖對此區(qū)域的受力和位移影響顯著，所以選擇此區(qū)域。

圖1 研究區(qū)平面圖 單位：m

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

選擇MIDAS GTS 對基坑開挖進行模擬，粉質粘土、粉砂、雜填土和粘土選擇莫爾庫侖模型，基坑支護措施中格構柱選擇1D梁單元，截面積為0.018 m2，扭轉常量Ix為9.24×10-7m4，扭轉應力系數(shù)為0.018 m，截面慣性矩（Iy和Iz）為7.8×10-4m4；地連墻選擇1D 梁單元，截面積為0.16 m2，扭轉常量Ix 為1.79×10-3m4，扭轉應力系數(shù)為0.20 m，截面慣性矩（Iy 和Iz）為8.5×10-3m4；立柱樁選擇1D 梁單元，截面積為0.50 m2，扭轉常量Ix為0.04 m4，扭轉應力系數(shù)為0.40 m，截面慣性矩（Iy 和Iz）為2.1×10-2m4；管道選擇1D桁架單元，截面積為0.16 m2，扭轉常量Ix為1.79×10-3m4，扭轉應力系數(shù)為0.20 m。

粉質粘土、粉砂、雜填土和粘土統(tǒng)一按1 m 進行混合四面體進行網(wǎng)格劃分，以此保證節(jié)點傳遞力的均勻性，也可保證節(jié)點之間相互耦合。研究區(qū)域寬和深分別約為基坑的7 倍和5倍，經(jīng)過數(shù)值模擬試算可知，若分別增加基坑的寬度或深度，基坑周圍巖土體的受力和位移幾乎沒有變化，因此可認為研究區(qū)域的邊界取值是合理的，數(shù)值模擬計算基坑平衡時停止。

數(shù)值模擬先進行初始地應力平衡計算，再對管道進行析取賦值，繼而是圍護墻的施加，最后分別對基坑分五次進行開挖，開挖深度分別為2、6、4、4、4 m，開挖深度的確定與周圍巖土體的性質密切相關，每層開挖結束后立即對開挖區(qū)域進行地連墻、立柱樁的施加。

2.2 模擬的結果

2.2.1 位移基坑開挖后，周圍巖土體的位移如圖2所示。

圖2 基坑開挖后圍巖位移云圖

如圖2（a）所示，水平位移最大數(shù)值為6.60 mm，主要集中于基坑開挖右邊地面區(qū)域，此區(qū)域所占巖土體約2%，88%巖土體水平位移幾乎為0，說明基坑開挖對周圍巖土體的水平位移影響較小。利用線上圖工具解析右邊地面最大位移為5.90 mm，越靠近右邊邊界區(qū)域，水平位移越小，此規(guī)律與實際一致，說明數(shù)值模擬的有效性。

如圖2（b）所示，豎向位移最大數(shù)值為8.90 mm，主要集中于基坑開挖右邊地面區(qū)域，此區(qū)域所占巖土體約4%，83%巖土體水平位移幾乎為0，說明基坑開挖對周圍巖土體的豎向位移影響也較小。利用線上圖工具解析右邊地面最大位移為3.50 mm，越靠近右邊邊界區(qū)域，豎向位移越小，此規(guī)律與實際一致，說明數(shù)值模擬的有效性?；拥撞繋r土體發(fā)生部分隆起（向上的豎向位移），隆起區(qū)域主要集中于基坑兩個角落，原因是開挖導致基坑邊角處出現(xiàn)應力集中。

由圖2可知，基坑開挖后巖土體的水平位移和豎向位移均不超過10 mm，此位移值控制在合理的范圍內(nèi)，不會對基坑工程及周圍巖土體造成不良的影響。

2.2.2 管道受力

管道所受的軸力如圖3所示。

圖3 管道所受的軸力圖 單位：kN

如圖3所示，管道所受的軸力最大為750 kN，此區(qū)域所占管道約8%，此數(shù)值依然達不到管道所受軸力的極限值1 200 kN，因此可認為管道的受力在可控的范圍內(nèi)，基坑開挖不會對管道造成不良的影響。管道所受的軸力較為均勻，沒有出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，一定程度上可以說明基坑開挖是成功的。

2.2.3 支護措施受力

基坑支護受力見圖4和圖5。

圖4 支護措施所受軸力圖 單位：kN

圖5 支護措施所受彎矩圖 kN·m

由圖4 可知，隨著地層深度的增加，支護措施所受的軸力越大，立柱樁所受的軸力最大值為790 kN，隨著深度的減小，土樁樁所受的軸力也減小，因為其力已被格構柱分擔；接觸界面所受的軸力最大值為1 400 kN，同樣主要集中于深度土層中；支撐所受的軸力呈現(xiàn)隨著深度增加，所受軸力逐漸增大的趨勢，即第四道支撐所受的軸力值最大，最大值為2 900 kN；由圖4可知，土層深度越大，支護措施所受的軸力越大，結合此受力值可將深層支護措施加強，同時減弱表層支護措施，以達到節(jié)約工程造價的目的。

第四道支護結構中，第四道支撐所受最大彎矩值為1 800 kN·m，主要集中于支撐的邊角處，因為此處易發(fā)生應力集中，進而導致彎矩值增大，結合支撐結構的彎矩極限值22萬kN.m，可知支撐所受的最大彎矩值遠小于支撐的極限彎矩，可認為支撐是在正常的工作狀態(tài)，不會發(fā)生彎矩破壞。

3 總結

結合一實際基坑開挖工程，對開挖后基坑、周圍巖土體、支護結構和管道的受力和位移進行了研究，研究結果表明：①基坑開挖后周圍巖土體最大的水平位移和豎向位移分別是6.60 mm和8.90 mm，此數(shù)值均不超過10 mm，說明基坑開挖不會對周圍巖土體造成不良的位移影響；巖土體豎向位移大于水平位移，后期監(jiān)測的重點在于豎向位移；位移主要發(fā)生于坑底和右邊地表處，以上兩個區(qū)域是不良位移防治的重點。②管道所受軸力最大為750 kN，此值小于管道所受軸力的極限值，同時管道的受力較為均勻，沒有出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，說明管道的受力是合理的，不會對基坑開挖工程造成隱患。③支護結構所受的軸力和彎矩均隨著深度的增加，受力逐漸增大，但是受力均控制在合理的范圍內(nèi)，均遠小于材料的極限值，說明支護結構的材料是滿足工程要求的，同時可適當加強深層土體的支護，另外減小表層土體的支護，保證基坑安全開挖的同時，達到節(jié)省工程造價的目的。