基坑工程开挖对桩锚支护变形特性模拟分析

程 名 宋腾蛟

（吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

在城市化进程中，高楼如雨后春笋般拔地而起，鳞次栉比。这些高层建筑，甚至超高层建筑的建设，稳定性、安全性保障是关键，基坑工程就肩负着这样的重任。地下条件复杂多变，基坑工程施工的安全控制难度大，选择安全、可靠，技术合理，施工方便，经济节约的支护形式尤为重要。计算机技术的发展，为人类活动的安全性、准确性以及效率等分析提供了技术支撑，比如工程界的各类模拟软件，已经成为人们工程建设的得力助手。本文通过Midas GTS软件对长春某基坑工程建立数值模型，模拟分析桩锚支护变形特性，探讨基坑开挖对基坑变形的影响。

1 Midas GTS软件应用现状

Midas GTS软件能够很好地反映出土体与桩锚支护结构间的相互作用关系，并通过模拟网格的参数来体现。Midas GTS 软件通过采用有限元法进行计算。该软件模拟土层开挖的过程是通过对土体添加工况实现的。Midas GTS软件可进行下列分析：静力分析、施工阶段分析、完全应力-渗流耦合分析、稳态渗流分析、瞬态渗流分析以及边坡稳定分析等。Midas GTS软件适用性较强，几乎适用于各类复杂的基坑工程。通过Midas GTS软件进行模拟，得出在基坑开挖过程中的竖向位移和水平位移的变形规律，不仅能够提前预测变形较大的区域，并且还可以对冗余位置进行优化，以达到节约资金的目的。赵菲、周冰等[1]人通过数值模拟分析桩锚支护水平位移及水平位移峰值出现的位置，可作为实际工程的监测预警值，并对峰值位置进行重点观测。方年春等[2]人通过Midas GTS软件，以工程实例为依据，建立了基坑开挖的模型，并对模型数据与实际监测数据进行分析。莫韬韬[3]利用Midas GTS 软件，通过实际工程与模拟数据分析得出，坑角对支护结构的影响较大，并且影响范围与开挖深度有关。陆仕渊利用Midas GTS软件对基坑支护进行模拟，得出随着基坑开挖深度的加深，地下连续墙的最大水平位移也逐渐增大，并且中部及转角处地下连续墙的水平位移最大。曹日跃[4]利用MIDAS GTS软件，通过对锚杆的长度及倾角的改变，来确定最优锚具的参数，并通过分析确定锚杆长度、角度与边坡的安全系数的关系，为今后边坡治理提供参考。

在众多计算方法中，有限元计算方法更符合现场实际，通过有限元方法可以很好地反映土体与支护结构的关系[5]。本文采用Midas GTS软件进行模拟分析，该软件具有以下优点：一体化分析设计软件；土层及钻孔数据交互；三维模型显示的实时更新；Midas GTS软件兼容性较强；可提供详细的构件材料及用量；一键出图；可供选择的本构模型有很多，更符合实际。

2 工程概况

山东省某基坑工程的支护周长400m，开挖深度16m，开挖深度较深，地下环境复杂，该工程选择基坑支护等级为一级，并采用桩锚支护体系。

由详勘报告可知，该场地地形平整，最大钻孔深度为30m。根据岩土的物理力学性质可分为5层，具体土层参数见表1所示。

表1 土层参数

3 Midas GTS数值模拟

3.1 结构属性的类型选择

本文选取修正摩尔库伦本构模型，各材料的结构属性选择如表1所示。

3.2 工况定义

基坑开挖的过程是通过定义工况来实现的，各工况如表2所示。

表2 工况定义表

在工况一初始应力平衡阶段需要选中激活选项，激活所有的土层、开挖阶段和自重、约束，并且需要将位移进行清零[6]。基坑开挖过程中，需要将开挖阶段拖到钝化区域。在施工过程中，因为施工是有间隔时间的，因此需要进行LDF（荷载释放系数）修改，代表不平衡力分几部分释放。图1为模拟的基坑模型图。

图1 基坑开挖及支护完成模型

3.3 模拟结果分析

3.3.1 基坑坑底隆起分析

坑底出现隆起情况是因为对坑内的土体进行开挖导致，挖出上层土相对于坑底来说是卸载作用，因此随着基坑挖掘深度的不断增加，坑底的隆起程度也会不断增大[7]。坑底隆起位移云图见图2，从图2可知，23.23mm是模拟的基坑开挖结束后的隆起最大值，其位置通常会在中间。

图2 坑底隆起位移云图

3.3.2 桩身水平位移分析

桩身水平位移云图如图3所示。

图3 桩身水平位移云图

从图3可看出，桩身水平位移的变化趋势类似于抛物线的形式，桩身水平位移的最大值为16.7mm。

3.3.3 锚索轴力分析

锚索轴力分布云图如图4所示。

图4 部分锚索轴力分布云图

分析图4可知，锚具在不同方向上的轴力情况如下：

（1）从水平方向上看，锚索的轴力最大值位于中间部位，并向两边依次减小。

（2）从竖直方向上看，锚具结构的轴力分别为121kN、152kN及209kN。由此可见，随着基坑开挖的持续，越下面的锚索其轴力就越大。

（3）从第一锚索分析，靠近桩身的轴力最大，中间部分较小，当到达锚固段的时候，变化趋势是逐渐减小的，即从锚固开始到尾部，锚索的轴力是逐渐下降的。

4 结束语

（1）坑底隆起呈现出中间大，逐渐向两边减小的变形规律。体现出坑角对基坑隆起具有一定的限制作用。

（2）桩身水平位移的变化趋势类似于抛物线的形式，桩身水平位移的最大值为16.7mm。。

（3）中间大两边小的变化趋势是从水平方向上所得的结论；当从垂直方向上来分析时，锚具的轴力从上往下会依次增加。