基于MIDAS软件的基坑开挖数值分析

陆仕渊

（南宁城建管廊建设投资有限公司维护分公司，南宁 530219）

0 引言

当前城市土地资源日渐短缺，人们逐渐开始利用城市地下空间以及研究超高层建筑技术，其中地铁隧道的建设大大缓解了地面交通压力，而地铁站的建设又是城市地下空间开发目的之一，造成基坑工程与日俱增的同时，基坑施工过程中必定会改变周围土体原有的应力场和位移场，从而引起周围土体、建（构）筑物以及地下管线的变形，对建（构）筑物的正常使用和人们的生命安全构成危险。因此，在深基坑工程中也有诸多问题迫切需要解决，而且由于对建筑的高度、安全性等性质的要求越来越高，往往需要从新的角度来解决在深基坑开挖过程中遇到的各类难题，由此产生了许多新的经验、理论以及研究方法［1］。在岩土体相关领域的数值分析应用中，主要有有限拆分法、有限单元法、半解析元法、离散单元法等［2］。其中有限单元法为大多学者所采用的，能够选择合理的材料本构模型以及设置复杂的边界条件，尤其可以有效地解决各类非线性问题以及适用于各种非均质各向异性材料。同时，有限单元法可以考虑基坑施工全过程中的时空效应［3］。由于基坑工程在开挖施工期间，其围护结构会产生一定的位移，并且基坑底部与周边地表都会发生一定的变形，倘若变形值超过设计限值则会导致基坑失稳，周围建筑也会收到影响，产生一定程度的开裂，从而引发基坑工程事故［4］。而在施工中，地基基础的稳定性也会直接影响整个建筑物的安全性，特别是建筑物建造在斜坡上时，地基土可能会发生整体或局部剪切破坏，因而丧失稳定性［5］。此类事故一旦发生，造成的经济损失和人员伤亡往往十分巨大，因此数值模拟技术在基坑工程中占据着十分重要的地位，以此使得基坑开挖施工更为安全、经济。

有限元软件MIDAS/GTS 集合了目前常用的岩土隧道分析软件的优点，包括了非稳定渗流分析、施工阶段分析、非线性弹塑性分析、渗流-应力耦合分析、固结分析、动力分析等，适用范围十分广泛［6］。鉴于此，文中采用MIDAS/GTS对基坑开挖与支护全过程进行数值模拟，土体采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型，混凝土结构采用弹性模型，计算模型模拟了初始地应力场和地下连续墙施工等因素影响，对全过程“顺作法”基坑开挖与支护进行模拟，并对地下连续墙围护结构的变形和坑顶土体变形进行分析。

1 工程概况

某大厦由两幢分别为16 层和19 层的办公楼和1幢22层的酒店组成，均设置两层地下室，如图1所示，整个场地基坑面积约为147000m2。根据现场踏勘情况，北侧建筑物地下室已经施工完毕。工程场地周边都是市政道路，因此在基坑工程施工过程中需要对其进行保护，但根据市政管线图显示，该场地周边市政管线较少，且没有煤气管线以及大直径水管等需要特别保护，基坑围护方案采用常规做法即能满足环境保护要求。基坑开挖影响范围的主要土层及其物理力学指标如表1所示。

图1 周边环境及支护方案总平面布置

表1 土层物理力学指标

2 基坑围护结构方案设计

2.1 总体方案及围护结构选型

综合工程的开挖深度、基坑面积和周边环境的保护要求以及软土层厚度，基坑工程总体方案采用“顺做法”设计施工方案。围护结构设计中在考虑围护体安全的同时要严格控制围护体的变形，以保护周边的环境。围护结构采用“两墙合一”的地下连续墙，即基坑围护墙兼作主体工程地下结构的外墙。

2.2 水平支撑体系方案选型

对于工程开挖深度和规模的基坑，考虑到基坑工程开挖深度与总工程面积较大，使用钢支撑会出现较大的变形，对基坑整体变形控制不利。并且基坑工程办公楼区域形状相对不规则，利用钢支撑不利于整体的受力和稳定性。因此，综合考虑，方案设计采用钢筋混凝土水平支撑体系方案。具体水平支撑体系如表2所示。

表2 水平支撑尺寸

2.3 立柱与立柱桩

工程中采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支承构件，钢格构立柱在穿越底板的范围内需设置止水片。立柱桩尽量利用主体结构工程桩，其中加打立柱桩均为700 的钻孔灌注桩，桩顶4m 范围内扩大为800。桩身混凝土强度等级C30（水下浇筑混凝土提高一级）。立柱桩长度为22m，保证进入持力层不少于2m。

3 建模及工况模拟

3.1 计算模型与参数选取

工程借助MIDAS/GTS 进行建模，结合周边情况，设置相应边界条件，建立三维基坑开挖有限元模型如图2所示。

图2 三维有限元模型

整个模型采用混合网格划分，土体选用Mohr Coulomb 模型作为本构模型，使用三维实体单元进行划分。而水平支撑体系与立柱等采用线弹性本构模型，使用梁单元划分。作为围护主体的地下连续墙使用板单元划分。

3.2 施工工况模拟

基坑工程采用顺做法施工，即维护体采用传统的板式围护结构+临时内支撑的形式，其中板式围护结构选用地下连续墙，而临时内支撑则采用混凝土支撑。施工时先打桩，再施做周围地连墙，在开挖一层后便施做内支撑，随后进行下一层的开挖。整个过程通过Midas/GTX软件中的“激活”与“钝化”指令来进行模拟施工过程中的各步骤。主要施工阶段情况如下：

（1） A0：设置边界条件，地应力平衡。

（2） A1：施加自身荷载，位移清零。

（3） A2：设立柱桩，深度达地下-22m。

（4） A3：设立地连墙，深度达地下-22m。

（5） A4：开挖第一层土，开挖基坑第一层土体至-2m。

（6） A5：施工第一道支撑，在-2m位置处设第一道围檩和第一道混凝土支撑。

（7） A6：开挖第二层土，开挖基坑第二层土体至-7.1m。

（8） A7：施工第二道支撑，在-7.1m 位置处设第二道围檩和第二道混凝土支撑。

（9） A8：开挖第三层土，开挖基坑第三层土体至-10.2m。

4 计算结果

4.1 地下连续墙应力分析

在工况A8开挖完成后，整个基坑开挖结束，地下连续墙的应力云图如图3 所示，并根据不同开挖步骤下地下连续墙的，绘制出变化曲线，如图4所示。由图4 可知，地下连续墙的水平位移随开挖深度的变化而产生较为显著的变化。基坑开挖深度越大，其最大侧位移越大，地下连续墙最大水平位移均出现在基坑地连墙的拐角部以及较长边的中部，其上部以及底部位移均偏小。分析原因，可发现基坑开挖后，墙后土体会产生不断增长的土压力，对于基坑壁也会产生较大压力，而及时施工的支撑将会对地下连续墙顶部的位移产生一定约束。

图3 工况A8地下连续墙水平位移云图

图4 各工况下地连墙水平位移最大值变化曲线

4.2 土体坡顶沉降分析

图5所示为基坑开挖完成后坑顶土的竖向位移云图。同时，各个工况下坑顶土的竖向位移曲线变化如图6所示。从图5和图6可以得出，基坑正在开挖，并且尚未施做支撑时，坡顶沉降变化较大，而在支撑施加之后，坡顶沉降变化偏小，趋于稳定。这是由于在支护条件下所施加的支撑对土体产生了约束作用，限制了坑顶土体的竖向位移。

图5 开挖完成后坑顶土竖向位移云图

图6 坑顶土最大竖向位移值变化曲线

4.3 地连墙随深度的变形特征

图7所示为地下连续墙水平位移随基坑开挖深度加深的变化。由图7可知，第一次开挖完成后，地下连续墙水平位移较小，且各个深度处的水平位移变化不大。而第二次与第三次开挖完成后，地下连续墙水平位移变化较大。说明随着开挖深度的加深化，地下连续墙水平位移值发生的变化较为显著，会逐渐增大。在开挖深度达到-10.2m时，位移达到最大值。

图7 地连墙水平位移随开挖深度变化曲线

5 结语

文中采用有限元分析软件MIDAS/GTS，并结合工程实例，建立了基坑开挖的有限元分析模型并进行了计算分析，通过后处理功能提取相应的应变位移等数据，并详细进行了地下连续墙的变形分析，和坡顶沉降分析，得到如下结论：

（1） 开挖深度变化对地下连续墙的应力值影响较明显，但在地下连续墙嵌固深度范围内变化较小。

（2） 地下连续墙的最大水平位移随着基坑开挖深度加深逐渐增加，且最大水平位移对应的深度也随之下降。同时，最大水平位移对应的位置均出现在基坑较长边的中部以及大转角处，而地下连续墙底部与中部出现的水平位移二者相差较大。

（3） 地面沉降量值受基坑开挖深度的加大也不断增加，并显示出一个明显的“沉降盆”，即在距离基坑边缘到达某一最大值，距离基坑越远，地表沉降越小，这与工程实测数据具有相同的规律。