昆明市某软土深基坑开挖支护过程三维数值模拟

昆明市某软土深基坑开挖支护过程三维数值模拟
作者：唐和焱张庆文孟英
来源：《价值工程》2014年第26期
摘要：结合工程实例，根据工程特点和桩基支护特点，用MSC.Marc有限元软件对昆明某软土深基坑开挖与支护过程进行全过程三维数值模拟。

得到基坑开挖全过程中的应力与变形的变化规律，同时得到在基坑开挖时的最不利位置，为基坑支护和基坑监测提供可参考依据。

关键词： Mohr-Coulomb；软土深基坑；全过程三维数值模拟
中图分类号：TU433 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）26-0100-03
0 引言
在基坑施工过程中，支护结构的过大变形和破坏都会严重影响周围建构筑物的安全，因此，保护周围建构筑物和设施的安全尤为重要[1]。

但是在准确地预测深开挖对周围结构物和其他工程设施的影响方面还缺少有效的手段[2]。

在软土地基上建造结构物是岩土工程师们面临的一项挑战，包括承载能力破坏，过大沉降和过大的应力与变形[3]。

本文的目的是利用大型三维有限元软件Marc模拟基坑开挖的全过程，得到基坑开挖与支护过程中最不利位置和应力、应变，从而为基坑支护提供有利的参考。

1 工程概况和计算模型
1.1 工程概况拟建项目总用地面积10010.05平方米，地上由一幢20层的塔楼和5层的商业裙楼组成，框剪结构，通设四层地下室，地下室主要为停车库及部分人防设施，基坑周长约350m且外形不规则，基坑开挖深度16.2m-16.8m，对撑长度达78m，基坑安全等级一级。

总图竖向设计塔楼建筑，一层地下室基底埋深在 ±0.00m下-4.6m，二层地下室基底埋深在±0.00m下-8.2m，三层地下室基底埋深在±0.00m下-11.8m，四层地下室基底埋深在±0.00m下-15.4m（加上底板厚度1.6m，底板底标高约为1872m按现状场地地形大面积标高1888.50计算，实际开挖深度为现地面下约16.50m。

经多种方案对比后，最终决定选用钻孔灌注桩支护结构，在灌注桩外侧中间采用直径为600mm的高压旋喷桩进行封闭，坑内利用管井降水，防止坑内长期浸水和对周围建筑产生影响。

1.2 计算参数的选择支护结构计算参数及土层物理力学指标见表1和表2。

1.3 有限元模型的建立采用三维大型有限元软件MSC.Marc模拟基坑的开挖及桩土变形，Marc软件具有卓越的非线性分析能力。

在该模型模拟中采用Solid HEX7#单元作为计算单元，该单元是采用三维插值函数，适用于本模型。

采用Mohr Coulomb本构关系。

另外，运用Marc 软件提供的DEACTIVATION功能，模拟挖土的全过程。

考虑到有限元计算收敛问题，将桩嵌入土中进行开挖模拟。

这样可以模拟出支护结构的整体工作形态，建成的有限元模型如图2所示。

深基坑工程内支撑在正常工作状态下混凝土一般处于弹性状态，而土层处于弹塑性状态。

如果仅采用弹性分析，数值分析结果与实际相差较大。

因此为了节约计算成本，提高计算效率，对混凝土支撑、支护桩、竖撑采用弹性分析，对土层采用弹塑性分析，屈服准则选为Drucker-Prager准则及相关的流动法则。

基坑开挖的具体步骤如下：
①初始地应力平衡，建立初始应力场，支护结构单元失去活性，即支护结构单元刚度消失，模型在自重作用下产生沉降，以模拟土体固结；②激活支护单元，激活冠梁支撑；③第一层土层单元失去活性；④激活第一层支撑单元；⑤第二层土单元失去活性；⑥激活第二层支撑单元；⑦开挖至基坑底。

1.4 内支撑系统有限元分析结果有限元分析结果可得在荷载作用下，支撑体系在各工况下均处于弹性状态，随着开挖深度增加，支撑系统所承受土压力越来越大。

1.4.1 各工况下应力分布云图（图4～图9）
从应力分布云图中可以看出：
①图4是土体在自重作用下沉降固结的应力分布，随着深度增加，土体应力不断增大，这符合土力学理论。

此时土体沉降为1700mm，基坑底-16.9m标高处应力为181kPa。

②图5是第一层土体被开挖，而第一层支撑还未浇筑时冠梁支撑应力分布图，此时冠梁支撑与支护桩连接处应力最大，其值为9.7MPa。

而跨中应力最小，其值为0.4MPa。

③图7为基坑开挖至坑底处支撑体系应力分布，图8、图9分别为此时第一层支撑和第二层支撑的应力分布。

从中可以看出：第一层支撑在与支护桩连接位置的应力比它的其他位置应力大；第二层支撑应力分布较第一层支撑均匀，斜向支撑与X，Y向支撑相比，它的应力大，说明支撑效果较好；图9中箭头所指处为应力最大位置，原因是由于此处位于基坑边线转角最大处。

1.4.2 各工况下位移云图
从位移云图中可以看出：
①基坑支护结构变形：基坑地层移动主要表现为坑外地层垂直沉降和地层的水平移动。

地表沉降主要有两种典型形状：1）由于桩体位移小，桩后土体沉降呈凹槽型；2）处于软土地基时，桩体位移大，桩后土体沉降曲线呈三角形。

通过计算，本模型基坑变形是第二种情况，如图11、图12所示，各剖面支护桩位移如表3（负号表示向基坑外移动）。

②土体隆起量：从图13中可以看出，在开挖完成后，土体回弹量大约为33cm。

2 结论
①通过本文的分析可以看出，此模拟过程能够有效地模拟深基坑开挖与支护全过程的应力和应变变化规律，可以得到较好的模拟结果，对基坑工程设计与施工具有参考价值。

②通过三维数值模拟得出，基坑工程中由于土体的开挖，自重应力释放，使得基坑坑底向上回弹。

在开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直的弹性隆起，对基坑围护墙变形的影响较大。

③通过计算，内支撑系统在土压力作用下处于弹性状态，各支撑梁能正常工作。

轴力监测点应布置在应力较大处，应力集中处监测点数量应稍多。

建议支撑层监测点在支护桩转角处及内环转角处加密。

在基坑D-D，H-H断面处支护桩位移最大，应加强该处监测。

参考文献：
[1]王全凤，潘树来.深基坑开挖全过程的数值模拟及工程实践[J].计算力学学报，2011，28（06）：943-948.
[2]谢剑.地铁车站基坑开挖施工过程模拟计算和方案优化[J]. 工业建筑，2004（z2）：344-348.
[3]Han J and Gabr M. Numerical Analysis of Geosynthetic- Reinforced and Pile-Supported Earth Platforms over Soft Soil[J]. Geotech. Geoenviron. Eng.，2002，128（1）：44-53.。