基于Midas GTS软件对某基坑支护的数值模拟分析

孙 超，陈军君，孙益哲

1吉林建筑大学 测绘与勘查工程学院,长春 130118 2河北建设勘察研究院有限公司,石家庄 050277

0 引言

近年来,随着我国经济的发展和城市化建设的进步,出现越来越多的深基坑工程.对深基坑工程进行现场实时监测,从而了解支护结构的受力情况以及预测基坑的变形趋势,为确保深基坑工程安全施工提供了重要保障[1-2].上世纪中叶,监测技术开始逐渐应用于深基坑工程中.Peck R.B[3]对现场实测数据分析后得出墙后地表沉降的计算方法;姜晨光等[4]人通过分析大量基坑监测的现场实测数据,得出了基坑围护结构的最大变形估算公式;李宝平等[5]人通过将西安市某基坑工程现场实测的水平位移数据与计算位移作对比分析,得出了支护结构位移随基坑开挖而变化的规律;张富军[6]通过室内模型试验研究了围护桩顶部位移的变化规律;张治国等[7]人和王卫东等[8]人通过上海某深基坑工程的监测数据,分析总结了深基坑开挖形成的周边浅基础建筑物沉降规律,并提出了沉降预测方法.

本文基于长春市某基坑工程实例,利用数值分析软件Midas GTS[9]模拟分析了基坑开挖过程中形成的基坑变形以及对支护结构的影响,并将计算结果与现场实际监测数据进行了对比分析,希望为本地区日后基坑支护方案的设计和基坑工程的施工提供参考.

1 工程概况及工程地质条件

1.1 工程概况

该基坑工程位于吉林省长春市朝阳区丰顺街与解放大路交汇处,解放大路路北,丰顺街路西,牡丹园南侧,吉林大学附属实验学校东侧,项目东南角临近长春地铁2号线通风口.

1.2 设计概况

设计取场地标高为基坑顶标高,±0.000 m相当于绝对高程216.00 m,因基坑周边自然地面标高变化较大,故周边开挖深度范围为22.0 m～26.0 m.基坑开挖深度超过10 m,因此由《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB 50202-2002)[10]可知,该基坑安全等级为一级.由于该基坑所处的地理位置为长春市内,周围建筑物密集,支护结构破坏以及土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重,由《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)[11]可知,该基坑侧壁安全等级为一级,基坑侧壁重要性系数取1.1,该基坑开挖面积为8 700 m2,基坑周长为452 m.

1.3 工程地质条件

由该基坑工程勘查报告可知:已完成的钻孔中最大深度为55.0 m,所揭露的地层上部为填土层,第四纪粘性土层和砂层,下部为白垩纪泥岩.根据岩土的物理力学性质划分土层如下:

第 ① 层 杂填土:杂色,主要由黏性土、砖块、旧基础和碎石等建筑垃圾组成,受人为活动影响.该层大部分结构松散,密实度不均,力学性质差,均匀性较差,本次勘探所揭露层厚为1.00 m～4.60 m.

第 ② 层 粉质粘土:黄褐色,可塑偏硬至硬塑状态,中等压缩性.韧性中等,干强度中等,稍有光泽,无摇震反应.该层局部缺失,本次勘探所揭露层厚为0.00 m～3.90 m,层顶标高为210.00 m～215.29 m.

第 ③ 层 粉质粘土:黄褐色,可塑状态,中等压缩性.韧性中等,干强度中等,稍有光泽,无摇震反应.本次勘探所揭露层厚为1.70 m～9.00 m,层顶标高为209.10 m～216.41 m.

第 ④ 层 粉质粘土:黄褐色,硬塑至坚硬状态,中等～低压缩性.含铁锰结核,局部相变为粘土,临近下部砂层0.5 m范围内普遍混少至多量粗砂,局部夹中砂薄层.韧性中等,干强度中等,稍有光泽,无摇震反应.本次勘探所揭露层厚为4.00 m～10.00 m,层顶标高为205.12 m～210.61 m.

第 ⑤ 层 粗砂:黄褐色,饱和,密实状态,含砾,混多量粘性土.局部夹粘性土层,细砂层.本次勘探所揭露层厚为1.00 m～4.00 m,层顶标高为200.09 m～202.78 m.

第 ⑥ 层 泥岩:棕红色,灰绿色,全风化状态.泥质结构,散体状结构.极破碎,基本质量等级为V类.本次勘探所揭露层厚为1.50 m～3.80 m,层顶标高为197.32 m～200.08 m.

第 ⑦ 层 泥岩:棕红色,灰绿色,强风化状态.泥岩结构大部分破坏,风化裂隙很发育,泥质,粉砂质结构,块状结构.为极软岩,破碎,基本质量等级为V类.浸水及风干后易崩解,具软化性.本次勘探所揭露层厚为4.00 m～7.50 m,层顶标高为193.62 m～198.08 m.

第 ⑧ 层 泥岩:棕红色,灰绿色,中风化状态.风化裂隙发育,泥质,粉砂质结构,块状构造,局部夹钙质胶结砂岩.为极软岩,较破碎,基本质量等级为V类.浸水及风干后易崩解,具软化性.本次勘探所揭露层厚为19.00 m～22.00 m,层顶标高为188.62 m～192.61 m.

第 ⑨ 层 泥岩:紫红色,灰绿色,微风化状态.风化裂隙不发育,泥岩与砂岩互层.为软岩,较完整,基本质量等级为IV类.泥岩浸水及风干后较易崩解,具软化性.该层未钻穿,本次勘探所揭露最大层厚为10.00 m,层顶标高为168.12 m～171.99 m.

根据钻孔标高,可绘制本文所要研究的6-6剖面的工程地质剖面图，如图1所示.

图1 工程地质剖面图Fig.1 Engineering geological section

2 基坑支护体系设计

根据基坑的开挖深度以及该项目所处的工程地质条件,基坑整体采用支护桩加锚索的支护形式,局部受地铁通风口影响采用钢筋混凝土角撑.由于研究范围有限,本文选取6-6剖进行研究,即图2中的EF段.

图2 基坑施工现场平面图Fig.2 Foundation pit construction site plan

图3 支护结构剖面图Fig.3 Section of support structure

结合工程地质条件特点,6-6剖面上部满足土体放坡的要求,故采用土钉支护的形式,下部采用桩锚支护体系.

土钉墙坡面设置Φ18钢筋土钉,长6.0 m,水平间距1.5 m布置,钢筋横纵向分别焊接Φ10双向钢筋,坡面挂设Φ6.5@200双向钢筋网.

喷射混凝土厚度为80 mm,设计强度等级为C 20.支护桩采用钢筋混凝土桩,桩径为800 mm,桩间距1.2 m,采用H型钢型号400 mm×200 mm×8 mm×13 mm.支护桩桩身混凝土设计强度等级为C 25,保护层厚度为70 mm.支护结构剖面如图3所示.

3 基于Midas GTS软件的数值模拟研究

3.1 模型及初始边界条件的建立

根据该工程实际基坑尺寸放大土层的边界尺寸,建立几何模型.取模拟的总体边界为200 m×100 m,基坑宽50 m,深22 m,支护桩桩长为24 m,桩嵌入土体中的长度为5 m.

依据该工程的实际边界条件、受力情况及分析工况,对完成网格划分后的模型施加自重荷载及位移边界约束条件,以及对基坑外边缘3 m～18 m的范围内施加长度为15 m均布荷载q=15 kPa,基坑开挖结束及建立边界与荷载条件后的模型如图4所示.

图4 基坑模型网格划分及建立边界和荷载条件Fig.4 Mesh generation offoundation pit model and establishment of boundary and load conditions

3.2 定义施工阶段

MidasGTS软件是通过激活或钝化单元来模拟基坑开挖的施工阶段,根据该工程具体的施工步骤,依次进行钝化开挖土体以及激活支护结构,顺序进行直至基坑开挖完成.施工阶段如表1所示.

表1 深基坑开挖步骤Table 1 Excavation steps of deep foundation pit

3.3 模拟结果分析

依据上表中设置的施工阶段对模型进行分析求解,得出深基坑开挖与支护完毕后的总体位移云图如图5所示.

图5 深基坑模型总体位移云图Fig.5 Overall displacement cloud chart of deep foundation pit model

3.3.1 基坑竖直方向位移分析

图6为基坑竖直方向沉降云图.从图6可以看出:由于基坑开挖深度较大,被动区的卸土量较多,引起了围护结构前后的竖向压差[12],加上地面超载的作用,导致基坑底部有隆起位移.最大位移隆起处位于基坑底部中心,最大隆起位移为36.8 mm.沿基坑底部中心处至基坑两侧围护结构边缘,坑底隆起位移逐渐减小,坑底最小隆起位移为11.3 mm.对于基坑外边缘,基坑边缘的地表隆起位移达到最大值10.9 mm,而后地表隆起位移沿基坑外边缘依次减小,由于地面超载的作用,隆起位移减小至0后,地表开始发生沉降,最大位移沉降处位于超载作用的中心位置,地表最大沉降位移为1.56 mm.

图6 深基坑模型竖直方向位移云图Fig.6 Vertical displacement cloud chart of deep foundation pit model

3.3.2 围护结构的水平位移分析

由图7可知,6-6剖面中间围护桩上的各监测点在不同工况下的水平位移,以支护桩的顶端作为纵轴的零点.从图7中可以看出:在不同的施工工况下,支护桩的水平位移变化趋势基本接近,在距离桩顶往下1 m左右,支护桩的水平位移达到最大值;而后随着桩体向下的深度不断增加,支护桩的水平位移逐渐减小.已知桩端嵌入土体的深度为5 m,桩长为24 m.因此从图中可以看出,当桩体深度达到19 m以上时,支护桩的水平位移依旧不断减小且变化范围极小.同时,将基坑开挖完成后的现场实际监测数据与模拟数据进行对比分析可以看出,现场实际监测中,支护桩的最大水平位移和最小水平位移分别为15.02 mm和2.65 mm.模拟分析得出的结论中,支护桩的最大水平位移和最小水平位移分别为13.39 mm和2.41 mm,分别与实际监测数据相差0.93 mm和0.24 mm,从而证明了Midas GTS软件在数值模拟分析中具有较高的准确性和可靠性.

图7 围护桩水平位移随基坑深度变化曲线Fig.7 Curve of horizontal displacement of retaining pile with depth of foundation pit

4 结语

通过对该基坑支护工程6-6剖面模拟及与施工现场实际监测数据的对比分析,可得出以下结论:

(1) 基坑开挖会使周围土体产生相应的横向位移,且随着沿基坑外边缘横向距离的不断增大,周围土体的横向位移不断减小.

(2) 基坑开挖深度较大,加之超载作用的影响,使得基坑底部产生隆起,最大隆起位移处位于基坑底部中心,整体基坑底部位移以基底中心处呈对称状态.该模型的最大隆起位移为36.77 mm,与实际监测的坑底最大隆起位移33.45 mm仅相差3.32 mm.

(3) 随着基坑开挖深度的不断增加,围护桩同一位置的水平位移不断增加,最大水平位移处位于桩顶下1 m附近.模拟结果显示的支护桩桩顶水平位移和最大水平位移为13.19 mm和14.09 mm,分别与实际监测数据的14.17 mm和15.02 mm仅相差0.78 mm与0.93 mm.

(4) 模拟计算结果与实测数据大体吻合,但由于施工现场的各种不确定因素,使得二者之间仍然存在一定的误差.