杭州九沙河三维有限元分析报告

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三维有限元分析（Midas GTS）

为准确分析基坑开挖对邻近地铁区间隧道产生的影响，并考虑基坑开挖的空间效应，采用大型商业通用有限元分析软件Midas GTS按连续介质有限元方法进行弹塑性分析。

Midas GTS软件可进行三维建模，具有强大的非线性分析能力，内含多种土体和岩体本构模型，适于大型岩土工程的变形及稳定性分析，在国内外岩土工程数值分析中得到广泛的应用。通过建立全尺寸的三维模型，根据基坑开挖的全过程中各具体施工步，采用“激活钝化”的方式控制各层基坑土体加固，围护桩施工，土方开挖，底板施工及堆载的设置，根据基坑工程施工工况模拟基坑开挖全过程，最终对围护结构、邻近地铁隧道和周边地层的变形和内力做出合理的预测。

模型参数的选取

1.模型尺寸

根据基坑开挖对周边的影响范围，合理选取模型尺寸可减少边界条件对计算结果的影响。计算模型平面尺寸为300m（X方向）X200m（Y方向）。最大围护结构深度为51m，模型计算深度（Z方向）取为60m，模型如下图所示

2.本构模型

（1）土体本构模型

土体采用Mohr-Coulomb模型进行模拟，目前岩土工程界常用的屈服准则[1] 有：Tresca屈服准则、Mises屈服准则、Drukle-Plager屈服准则以及Mohr-Coulomb屈服准则和双剪应力屈服准则等。在各种屈服准则中Mohr-Coulomb屈服准则模型能反映土体的抗压强度不同的S- D效应(Strength Difference Effect)与对静水压力的敏感性,而且简单实用,土体参数c、φ值可以通过各种不同的常规试验测定。因此, 较其他准则具有较好的可比性，在工程实践中有着重要的作用和地位，得到了广泛的应用。基坑开挖过程中，绝大部分土体处于卸荷状态，因此，实际岩土体的弹性模量要大于压缩模量，与回弹模量相近，土体的弹性模量与埋深密切相关，Midas GTS模型中土体采用Mohr-Coulomb模型可设置弹性模量随深度的变化量，故相比其他商业有限元软件中Mohr-Coulomb模型只能采用固定的弹性模量值要灵活准确。

（2）其他单元本构模型

计算中围护桩、抗拔桩、围护桩顶板，基坑底板等材料采用弹性模型进行模拟。地铁隧道的变形要求严格，地铁隧道在基坑开挖下的变形处于弹性阶段，故对隧道管片也采用弹性模型。

3材料参数取值

计算中不同分层土体的模型参数、重度、侧压力系数等参数部分从地质勘察报告中得到，另一部分通过监测数据反演分析得到。

勘察报告给出的变形参数是压缩模量，压缩模量的计算中考虑了很大一部分塑性变形。类似基坑开挖过程中，绝大部分土体处于卸荷状态，因此，实际岩土体的弹性模量要大于压缩模量，与回弹模量相近，土体的弹性模量与埋深密切相关，故本报告在选取土体弹性模量时在地勘压缩模量的基础上进行了修正。参数如下表所示

4边界约束

模型边界采用标准约束形式，在侧向边界面施加水平方向约束（X方向UX=0，Y方向UY=0），在模型底面施加竖直方向约束（UZ=0）。边界约束如下图所示

5网格划分及单元类型

为保证网格划分质量，核心区土体及盾构管片种子（SEED）间距为3m，外围土层种子间距为12m。总共单元数为41793。

网格划分图下图

6模型施工步骤按下表所示

工况一：初始应力场平衡（包括隧道）；

工况二：原堆土从10.0m高程卸载至8.0m高程，并堆填另一块从6.0m标高

至8.0m高程；

工况三：搅拌桩、抗拔桩施工；

工况四：地下水位降至1.0m高程；

工况五：堆土卸载至标高6.0m。

工况六~工况十七（remove1~11）：1~11区块分块开挖。

工况十八：钢锭堆载移除。

三维分析结果

1.土体变形情况（注，标记的数值为坑底处土体变形量，单位mm）

8m以上标高土体卸除后变形

降水至-6m后土体变形

6m以上土体卸除后土体变形

1区开挖完成

2区开挖完成

3区开挖完成

4区开挖完成

5区开挖完成

6区开挖完成

7区开挖完成

8区开挖完成

9区开挖完成

10区开挖完成

11区开挖完成

钢锭移除

2.盾构变形情况

8m标高以上土体卸除后变形

围护桩、抗拔桩施工完成后土体变形