基于MidasGTS的深基坑桩锚支护结构整体稳定性研究

基于Midas GTS的深基坑桩锚支护结构
整体稳定性研究
摘要：基于四川省某基坑开挖工程，通过有限元软件Madis建立
三维数值模型研究不同工况下基坑围护结构、坑底隆起变形规律以及
支撑内力变化。

研究结果表明：随着基坑开挖的进行，围护结构水平
位移逐渐增大，整体呈现先增后减的复合式变形，其最大水平位移约
发生在基坑开挖深度的7/10处；坑底隆起变形为弹性隆起，最大竖
向位移发生在基坑中间处；围护结构弯矩随基坑开挖深度的增加，弯
矩最大值逐渐下移，最大值为12KN·m；围护板桩最大水平剪力为
16.5KN；内支撑轴力最大值为276KN，发生在基坑开挖完成时；预应
力锚杆随开挖的进行锚杆轴力无明显变化，最大值为219KN。

关键词：基坑开挖；有限元分析；水平位移；内力
引言：在深基坑施工过程中，因施工方法的不同，会对周围环境
造成诸多不利因素，国内外众多学者采用数值仿真法、实测法、理论
分析法、经验预测法等进行了相关研究[1-5]。

江晓峰、刘国彬等[6]对
大量深基坑监测数据整理分析，总结出墙后地表沉降的影响区间；汪
鹏程[7]通过建立基坑下卧隧道三维模型，证明了抗拔桩和高压旋喷桩
两种坑底加固方法均可有效控制下卧隧道的竖向位移；张翔等[8]为研
究基坑回弹与工程桩之间的关系，通过建立数值模型分析，表明工程
桩的桩长、桩径及刚度对基坑回弹影响明显；万星等[9]收集大量软土
基坑案例研究，归纳出软土地区围护结构变形存在着明显的时空效应；王正振等[10]通过某基坑实测数据分析，表明冠梁标高对基坑顶部土体
变形影响较大。

然而，目前对多种支护结构作用的基坑以及支护结构内力研究较少，本文依托四川省某深基坑工程为背景，采用有限元软件Midas建立相应基坑模型，分析基坑围护结构、土体变形以及支护结构内力变化规律，为早起设计和后期开挖过程中保持基坑的稳定性以及该地区其他类似工程管理及监测重点提供给一定的参考。

1.工程概况
某基坑位于四川省绵阳市，该基坑周边暂无邻近建构筑物，基坑南北长约20m，东西长约10m，基坑最大开挖深度为10m，此基坑开挖分成5个阶段进行开挖，支护形式主要为围护板桩、圈梁、立柱、内支撑、锚杆等支护结构，板桩深度12m，嵌入深度为2m。

开挖深度范围内主要涉及到三类土层，各地层下端深度分别约为填埋层3m，崩积岩10m，风化土22m。

2.数值模型的建立
2.1计算模型
数值模拟软件采用岩土工程专业有限元软件Midas GTS NX，为建立相对准确的数值模型，根据实际施工工况，将基坑施工工况进行适当的简化后采用与实际尺寸1:1的比例建立有限元模型，考虑到模型的边界效应，模型整体尺寸取80m×70m×22m，建立的基坑及支护结构模型如图1和图2所示。

图1基坑整体模型图2基坑围护结构模型
2.2计算参数
模型中各层土体采用修正莫尔库伦本构模型进行模拟，该本构关系能准确反映土体自身弹塑性特点，计算结果更接近于实际，岩土材料参数见表1；围护结构板桩采用2D板单元，立柱、内支撑、圈梁以及锚杆1D梁单元进行模拟，结构材料参数表见表2。

表1岩土材料参数
序号土
层
内摩擦
角/（°）
泊
松比
重度/
（KN·m-3）
E50re
f
(kN·
m-2 )
Eoedr
ef
(kN·
m-2 )
Eurre
f
(kN·
m-2 )
1
埋30
16
2.2×1 2.2×1
6.6×1
层.2040404
2崩
积层34
.2
17
4.3×1
04
4.3×1
04
1.29×
105
3风
化土38
.2
206×1046×104
1.8×1
05
表2结构材料参数
序号名称
弹
性模量
/MPa
泊
松比
容重/
（KN·m-3）
尺寸（m）
1板桩
2.1
×104
.3
76.98d=0.1
2
立柱、内支
撑、圈梁
2.1
×104
.3
76.98
h×b×d=0.3*0.3*0.01/
0.015
3锚杆
2.0
×104
.3
76.98D=0.025
2.3计算工况
基坑开挖整个模拟过程包括1个初始状态和6个施工工况，由于本文研究基坑开挖对基坑自身位移、内力以及土体变形，故在初始阶段及围护板桩、立柱施工结束后将所有位移及应力清零，模型计算工况如表3所示。

表3模拟工况
工况工况设计
开
挖深度
备注
-初始阶段-K0阶段，位移清零
1
板桩、立
柱施工
-激活板桩、立柱单元
2开挖
-
3.0m
钝化0～-3.0m土体，激活第一道圈梁及内支撑
3开挖
-
5.0m
钝化-3.0～-5.0m土体，激活第二道圈梁及内支撑
4开挖
-
7.0m
钝化-5.0～-7.0m土体，激活第三道圈梁及预应力锚杆
5开挖
-
9.0m
钝化-7.0～-9.0m土体，激活第四道圈梁及预应力锚杆
6开挖
-
10.0m
钝化-9.0～-10.0m土体
3.模拟结果
基坑变形主要由围护结构、坑底隆起及周边地表位移三部分组成，三者之间彼此联系，相互影响。

3.1围护结构变形
通过对基坑开挖过程进行数值模拟，可以了解到各工况下基坑围
护结构的变形，从而掌握基坑的安全性。

从图3可以看出，在基坑开
挖完成时，由于基坑土体被开挖移运，应力得以释放，在围护结构外
侧主动土压力的作用下，围护结构四周向基坑内产生横向位移，开挖
完成时，围护结构在X向最大位移约为2.5mm，在Y方向位移约为
2.7mm。

开挖完成时围护结构X方向位移开挖完成时围护结构Y方向位移
图3开挖完成时围护结构水平位移云图
围护结构水平位移各阶段值模拟结果见图4。

由图4可知：随着基坑开挖深度的增加，围护结构的水平位移逐
渐增大，围护结构的最大水平位移均发生在基坑开挖深度的7/10处。

围护结构在工况1、工况2时主要表现为悬臂式变形，变形主要
发生在围护结构顶部位置，这是由于前期开挖过程未设置内支撑，随
着基坑开挖深度的增加且多道内支撑的设置，围护结构的最大水平位
移逐渐向下移动，位移最大值最终稳定在基坑深度7m处，即位于围
护结构埋深0.58H，围护结构水平位移沿深度方向总体呈现“先增大、后减小”趋势，符合复合式变形形式。

各工况下围护结构沿X向位移曲线
各工况下围护结构沿Y向位移曲线图
图
图4各工况下围护结构位移曲线图
3.2坑底隆起
在深基坑施工过程中，由于上层土体的卸荷，从而引起周围土层
应力场的变化，导致基坑产生回弹变形。

从图5可以看出，基坑坑底
隆主要集中在基坑中部区域，围护结构一定范围内的土体隆起量较小，开挖完成时基坑最大回弹量约为5.25mm。

图5基坑开挖完成时Z向位移
如图6所示，坑底隆起主要表现“两侧大、中间小”的弹性隆起，隆起量随着开挖深度的增加呈非线性增长趋势，最大隆起量发生在基
坑中心位置处，且随远离基坑中心，隆起量逐渐减小，在围护板桩边
缘处隆起量最小，这是由于围护桩很好的约束坑外主动土压力，同时
立柱的设置，也能有效约束坑底隆起量，能够提升基坑稳定性。

各工况下短边坑底隆起变化曲线
各工况下长边坑底隆起变化曲线
图6 各工况下基坑坑底隆起变化曲线
3.3围护板桩弯矩、剪力
图7工况6围护结构弯矩云图图8工况6围护结构剪力云图
图9 各工况下围护结构弯矩变化曲线图
用数值模拟法分析计算出不同工况下板桩+内支撑+锚杆结构桩身
弯矩如图9所示，从弯矩图可以看出：随着基坑开挖的进行，板桩的
正弯矩及负弯矩均逐渐增大，且最大负弯矩及正弯矩最大值随着开挖
的进行均向下移动，弯矩最大值为负值，数值为12KN·m，最大值发
生在基坑开挖面；围护板桩的最大水平剪力发生在弯矩变号位置附近，当基坑深度10m时，水平剪力最大，数值为16.5KN。

3.4内支撑、锚杆轴力
基坑开挖过程中内支撑轴力的变化也是研究基坑稳定性的重要因素，现研究内支撑轴力在基坑开挖阶段的变化趋势，现提取基坑开挖结束时，内支撑及锚杆云图，如图10所示。

工况6第一道内支撑轴力云图工况6第二道内支撑轴力云图
工况6第一道锚杆轴力云图工况6第二道内支撑轴力云图
图10 工况6内支撑及锚杆轴力云图
表4工况2～工况6内支撑最大轴力
施工工况工况2
（KN）
工况3
（KN）
工况4
（KN）
工况5
（KN）
工况6
（KN）
第一道内支撑72117191122123
第二道内
-100190252276支撑
--197207209第一道锚
杆
第二道锚
---207219杆
由表4可知，基坑在开挖过程中第一道内支撑轴力呈现先增大后减小的趋势，轴力最大值发生在工况4，最大轴力为191KN；第二道内支撑轴力呈现明显的增大趋势，最大轴力发生在工况6，即基坑开完成时，最大轴力为276KN。

工况2时土体开挖深度较小，即两侧的土压力较小，此时主要由第一道水平内支撑抵抗主动土压力；工况3～工况4阶段，第二道内支撑施作后，两道水平内支撑共同抵抗基坑外侧主动土压力，而工况4后，随着基坑开挖深度的加深，外侧土压力重新分配到第一道和第二道水平支撑，第二道水平内支撑占明显主控地位，轴力继续表现增大趋势，而第一道内支撑轴力呈明显下降趋势。

预应力锚杆随开挖的进行锚杆轴力无明显变化，最大值发生在基坑开挖完成时，数值为219KN。

4.结论
（1）围护结构在未施作内支撑前主要表现为悬臂式变形，变形主要发生在围护结构顶部位置，随着基坑开挖深度的增加且多道内支撑的设置，围护结构的最大水平位移逐渐向下移动，位移最大值最终稳
定在基坑深度7m处，围护结构水平位移沿深度方向总体呈现“先增大、后减小”的复合式变形形式。

（2）坑底隆起主要表现“两侧大、中间小”的弹性隆起，隆起量
随着开挖深度的增加呈非线性增长趋势，最大隆起量发生在基坑中心
位置处。

（3）围护结构弯矩随基坑开挖深度增加而增加，且弯矩最大值随
着开挖的进行均向下移动，在基坑开挖完成面时弯矩最大为12KN·m，围护板桩的最大水平剪力发生在弯矩变号位置附近，当基坑深度10m 时，水平剪力最大，数值为16.5KN。

（4）在基坑施工中，内支撑轴力的变化并非单一不变的，第一道
内支撑随开挖深度呈先增后减趋势，第二道内支撑呈逐渐递增趋势，
轴力发生在基坑开挖完成面，最大值为276KN；预应力锚杆随开挖的
进行锚杆轴力无明显变化，最大值发生在基坑开挖完成时，数值为
219KN。

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