孫賢斌， 胡帥軍， 石峻峰

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

基坑開挖數(shù)值模擬
——以楊泗港長(zhǎng)江大橋漢陽側(cè)錨碇為例

孫賢斌， 胡帥軍， 石峻峰

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

針對(duì)楊泗港長(zhǎng)江大橋漢陽錨碇基坑開挖各階段的施工過程，基于Midas GTS NX三維有限元分析軟件，建立基坑開挖三維有限元仿真計(jì)算模型。通過Midas軟件計(jì)算此基坑各開挖階段的周圍土體以及地下連續(xù)墻的數(shù)值，分析各開挖部位的受力特點(diǎn)和變形特征，得出基坑開挖過程中的最不利位置，為施工方在基坑開挖過程中采取相應(yīng)措施提供參考。

基坑開挖； 數(shù)值模擬； 土體沉降

1 工程概況

楊泗港長(zhǎng)江大橋工程全長(zhǎng)4.13 km，其中主橋段長(zhǎng)1.7 km(兩座橋塔之間距離)，漢陽岸接線長(zhǎng)0.973 km，武昌岸接線長(zhǎng)1.461 km。根據(jù)《武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋工程地質(zhì)初勘報(bào)告》及部分詳勘報(bào)告和資料，對(duì)本建筑場(chǎng)地，工程地質(zhì)分述如下:漢陽岸錨碇處覆蓋層中上部為全新松散或中密狀粉、細(xì)砂，軟塑狀粉質(zhì)黏土及流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚約31～33 m，工程性能差；覆蓋層中下部為硬塑-堅(jiān)硬狀黏土夾密實(shí)狀圓土，工程性能好，厚約20～30 m；基巖埋深51～54 m，主要為白堊-第三系泥泥質(zhì)砂巖、疏松砂巖。錨碇基礎(chǔ)頂高程為24.0 m，基礎(chǔ)底面高程為-15.0 m，地連墻底面高程為-35.0 m，基礎(chǔ)深39.0 m，地連墻總深度59.0 m，地連墻入中等膠結(jié)泥質(zhì)砂巖內(nèi)約5 m。

2 有限元計(jì)算模型

2.1有限元模型的建立步驟

1)建立模型的有限差分網(wǎng)格，來定義所要模擬的幾何空間。

2)定義本構(gòu)模型和賦予材料參數(shù)，從而限定模型對(duì)于外界擾動(dòng)做出的變化規(guī)律。

3)定義計(jì)算區(qū)域的邊界條件、荷載、 初始條件，以此來定義模型的初始狀態(tài)。

2.2計(jì)算區(qū)域及邊界條件的確定

由于本深基坑面積較大,計(jì)算整個(gè)深基坑模型導(dǎo)致網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)過多,計(jì)算量大，使軟件計(jì)算的速度緩慢,所以選取該基坑北側(cè)的一段進(jìn)行數(shù)值模擬，該段基坑深度39 m，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖影響深度為開挖深度的 2～4 倍，影響寬度為開挖深度的3～4 倍，由此來確定模型的影響范圍[1]。而對(duì)于計(jì)算域的邊界,一般是這樣考慮的:原則上此范圍要達(dá)到基坑開挖結(jié)構(gòu)受力后不再產(chǎn)生變位影響的邊界為止[2]。

根據(jù)模型的對(duì)稱性,取1/4模型做為最終的計(jì)算模型(圖1)。計(jì)算模型的規(guī)模為105 257個(gè)單元。

圖 1 楊泗港長(zhǎng)江大橋基坑開挖1/4有限元模型

2.3計(jì)算參數(shù)

作為塑性材料，土體的計(jì)算參數(shù)有: 密度(density)、泊松比(ratio ) 、體積模量( bulk)、切變模量(shear)、黏聚力(cohesion)、摩擦角 (friction)、彈性模(elastic)、膨脹角 (dilation)， 其計(jì)算公式為

式中:K為體積模量；E為彈性模量；ν為泊松比；G為切變模量。計(jì)算過程選用參數(shù)見表1。

表1 地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值

2.4計(jì)算工況

根據(jù)原施工方案將工程施工階段分為27個(gè)階段(圖2)，施工過程中，基坑中心土體采用超開挖，超開挖深度為4 m。

圖 2 施工階段圖

施工工況一：其施工步驟為施工完成地連墻及帽梁結(jié)構(gòu)；完成基坑內(nèi)預(yù)抽水試驗(yàn)，確認(rèn)止水效果滿足設(shè)計(jì)要求。工況二：基坑內(nèi)降水至地下水位+19.0 m處，對(duì)自然地面至帽梁底標(biāo)高范圍內(nèi)的土體進(jìn)行機(jī)械開挖。工況三：完成帽梁高度范圍內(nèi)的土體開挖；基坑內(nèi)繼續(xù)降水至地下水位+16.0 m標(biāo)高處，機(jī)械開挖第一層內(nèi)襯環(huán)向4 m寬、3 m高的施工作業(yè)面區(qū)域土體。工況四：進(jìn)行第一層內(nèi)襯施工，同步完成第一層內(nèi)襯高度范圍內(nèi)剩余土方機(jī)械開挖+17.0 m處，待第一層內(nèi)襯砼強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%后，基坑內(nèi)繼續(xù)降水至地下水位+13.0 m標(biāo)高處，機(jī)械開挖第二層內(nèi)襯環(huán)向4 m寬、3 m高的施工作業(yè)面區(qū)域土體。依次類推，直至開挖進(jìn)行第十一層內(nèi)襯施工，同步完成第11層內(nèi)襯高度范圍內(nèi)剩余土方機(jī)械開挖-15.0 m處，并對(duì)基坑底進(jìn)行全面清理整平處理，基坑頂面設(shè)置大型履帶吊機(jī)掛5 m3料斗吊運(yùn)渣土，汽車外運(yùn)至棄土場(chǎng)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1周圍土體沉降分析

以基坑開挖的中心作為圓點(diǎn)，經(jīng)過建模計(jì)算，首先，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移曲線；其次，根據(jù)所求得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線，將其劃分為上述三種基本變形模式，并確定三種基本模式的位移最大值[3]；最后，根據(jù)上文所求的對(duì)應(yīng)于各種基本模式的經(jīng)驗(yàn)公式，求解每一基本模式所對(duì)應(yīng)的坑外深層土體任意點(diǎn)沉降值，并對(duì)三者進(jìn)行疊加，從而才能求得坑外任意深度處土體的沉降值。從圖3可以看到，地下連續(xù)墻外側(cè)地面的沉降規(guī)律，最大沉降在距離地連墻3～4 m范圍，最大值為2.41 mm。由于有限元模型在外側(cè)土體與地連墻之間設(shè)置了接觸單元，與實(shí)際情況符合，所以這個(gè)沉降分布比較符合通常的基坑開挖地連墻外側(cè)地表沉降的規(guī)律[4]。此外，通過具體的工程實(shí)例對(duì)坑外土體深層土體沉降經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了較為吻合的結(jié)果。

圖3為地下連續(xù)墻外側(cè)土體沉降量的變化情況，每個(gè)點(diǎn)值都是其對(duì)應(yīng)施工階段的最大值，可以看到最后一個(gè)施工階段的沉降量最大，最大值為2.97 mm；第二個(gè)施工階段(地下連續(xù)墻與冠梁的施工)由于對(duì)地表的擾動(dòng)較大，沉降會(huì)有一個(gè)突變，這個(gè)階段的地面沉降最大值為1.86 mm。

圖 3 各個(gè)施工階段周圍土體最大沉降量

3.2地下連續(xù)墻分析

由于地連墻結(jié)構(gòu)體系相當(dāng)于一個(gè)豎直的懸臂梁，在土壓力及地下水的作用下，在地連墻的根部會(huì)有較大的負(fù)彎矩[5]，根部外側(cè)的拉應(yīng)力會(huì)較大，但考慮實(shí)際情況，土體和基巖會(huì)有一定的變形，一部分應(yīng)力會(huì)得到釋放，實(shí)際的拉應(yīng)力會(huì)比計(jì)算值小。

由圖4可以看到，在土壓力和地下水的作用下，地連墻在根部，也就是地連墻頂部向下59 m的位置負(fù)彎矩最大，意味著靠近土體一側(cè)地連墻表面的拉應(yīng)力最大。

圖 4 地連墻根部負(fù)彎矩示意圖

4 結(jié)論

以楊泗港長(zhǎng)江大橋漢陽側(cè)錨碇基坑開挖為研究對(duì)象，利用Midas GTS NX 對(duì)不同基坑開挖過程和支護(hù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了以下主要結(jié)論。

1)利用 MIDAS-GTS NX對(duì)楊泗港漢陽側(cè)基坑工程建立了有限元分析模型，簡(jiǎn)述了建模區(qū)域的選擇和建模的基本原則，選取建模所需的土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬參數(shù)，簡(jiǎn)介了本次建模的主要步驟[6]?？紤]基坑實(shí)際開挖步序，數(shù)值模擬計(jì)算所得的基坑變形結(jié)果，基本能夠較好的模擬開挖過程中的基坑工程變形特征，能夠?yàn)榛訉?shí)際施工過程提供一定的參考價(jià)值。但考慮施工中的諸多不確定性因素，施工過程中應(yīng)該注意加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)工作，重視對(duì)于基坑水平位移及周邊高大建筑物的沉降的監(jiān)測(cè)[7]。

2)建立了基于Midas的基坑開挖數(shù)值模型,根據(jù)工程實(shí)例分析、 確定了計(jì)算參數(shù)、 計(jì)算單元、 邊界條件,搭建了計(jì)算模型， 本次計(jì)算采用水土分算。

3)根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，開挖至基坑設(shè)計(jì)深度時(shí)，基坑周圍土體的沉降最大為2.41 mm。地下連續(xù)墻在基坑底部：即施工階段為第13層開挖土，最大值為3.303 MPa；最大壓應(yīng)力為出現(xiàn)在第13層未加內(nèi)襯施工前的時(shí)候,最大值為15.468 MPa；最大變形為18.766 mm。

4)基坑底部隆起第27個(gè)階段的最大值為28.7 cm，這個(gè)值是最終隆起量，在施工中不可能出現(xiàn)。

5)在基坑底靠近地連墻根部的位置，最大拉應(yīng)力相對(duì)偏大，說明這個(gè)部位受力狀況比較復(fù)雜，建議開挖時(shí)應(yīng)注意增加支護(hù)結(jié)構(gòu)。

6)從本次模擬分析的過程中可以看到，實(shí)際工程中對(duì)于有限元分析結(jié)果的合理利用，能夠?qū)υO(shè)計(jì)與施工提供一定的指導(dǎo)和幫助，可以使工程的設(shè)計(jì)與施工更加合理[8]。

[1] 徐前衛(wèi),馬險(xiǎn)峰,朱合華,等.軟土地基超深基坑開挖的離心模型試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(12):154-161.

[2] 王曉偉，童華煒.考慮深基坑坑角效應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011,7(3)：483-484.

[3] 郭力群，程玉果，陳亞軍，等.內(nèi)支撐基坑群開挖相互影響的三維數(shù)值分析 [J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,35(6)：712-715.

[4] 樊勝軍,胡長(zhǎng)明,劉振江.某深基坑施工期圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬分析[J].施工技術(shù),2010,39(9):82-84.

[5] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ120-2012.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[6] 賀煒，潘星羽，張軍,等,河心洲地鐵車站深基坑開挖監(jiān)測(cè)及環(huán)境影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013(S1) :478-483.

[7] 劉寶琛. 綜合利用城市地面及地下空間的幾個(gè)問題[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 1999(1): 109-111.

[8] 泮曉華，薛雷，涂杰楠，等．深基坑疏排樁錨與土釘墻水平聯(lián)合支護(hù)數(shù)值模擬[J]． 工程勘察，2010(11) : 1-5．

[責(zé)任編校：張巖芳]

NumericalSimulationofExcavationA Case Study of Yangsigang Yangtze River Bridge Anchorage of Hanyang Side

SUN Xianbin, HU Shuaijun, SHI Junfeng

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This paper establishes a three-dimensional finite element simulation model for foundation pit excavation for the construction process of the excavation of Hanyang anchorage foundation of Yangsigang Yangtze River Bridge. The numerical analysis of the stress and deformation characteristics of each excavation site is carried out by Midas software, and the most unfavorable position in excavation process is obtained, which provide reference for the construction party to take corresponding measures in the excavation process.

foundation pit excavation; numerical simulation；soil settlement

2016-12-21

孫賢斌(1964-)， 男， 湖南華容人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)榈缆放c橋梁

1003-4684(2017)05-0005-03

TU470

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