基于GTS有限元分析技术的深基坑开挖过程模拟分析

郭树祥 邓洪亮 马丽斌

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)



基于GTS有限元分析技术的深基坑开挖过程模拟分析

郭树祥 邓洪亮 马丽斌

(北京工业大学建筑工程学院，北京 100124)

利用Midas/GTS有限元分析软件，对某工程的基坑开挖过程进行了模拟，分析了其在开挖过程中应力及位移的变化规律，并与现场监测数据作了比较，进而验证了有限元分析技术在基坑开挖过程模拟中的可行性与正确性。

深基坑，有限元模型，围护结构，锚杆

0 引言

Midas/GTS作为一款岩土与隧道结构有限元分析软件，可以将通用的有限元分析内核与岩土隧道结构的专业性要求有机地结合起来，使用者提供了包含最新分析理论的强大的分析功能，是基坑和岩土分析与设计的最佳解决方案之一[2]。

1 工程概况

1.1 工程简介

北京通州运河核心区侨商3号基坑位于北京市通州区永顺北街南侧，新华南北路东侧，北侧紧靠京哈高速。基坑设计开挖深度为12.1 m，东西向长109 m,南北向长89 m,基坑基础采用筏形基础，基坑支护方式采用东西北三面护坡桩+预应力锚杆，南面采用坡前桩+喷射混凝土，采取长螺旋钻机后插钢筋笼的工艺,开挖方式采用整体土方开挖，基坑安全等级整体按一级考虑。

1.2 水文地质条件

施工场区地形较平坦，地层总体稳定，基坑开挖深度范围内主要物理力学指标如表1所示。

表1 主要土层物理力学指标

2 有限元模型建立的基本假定

模型采取摩尔—库仑本构，本模型为了计算简化，方便计算，对建立的三维有限元数值模型做以下假定：

1)建模时，对支护桩的数值模拟采用等刚度转换理论[3];2)连续墙、腰梁、冠梁以及锚杆均处于弹性受力状态，土体为理想弹塑性介质；3)忽略锚杆自重，锚索类型选用植入式桁架；4)基坑在开挖之前，土体的初始应力假定为静止土压力；5)模型边界范围采用3倍～5倍的基坑尺寸。

3 有限元模型的计算结果分析

3.1 基坑土体应力分析

由图1可知，基坑在开挖前，水平方向的应力基本无明显变化，在同一土体深度下，土体水平应力分布比较均匀；在开挖之后，基坑坑壁外侧土体应力在水平方向变化较小，土体最大水平应力位于基坑坑壁内侧，开挖前后对比可知，开挖之后基坑坑壁两侧的压力差发生明显变化，基坑外侧土体对基坑侧壁产生了非常大的土压力，并且沿着坑壁方向，水平方向土压力符合土力学中土压力分布状态[4]。

3.2 基坑土体水平位移分析

基坑模型初始阶段土体水平位移及各个开挖工况下的土体水平位移变化如图2所示。

由图2可知，随着基坑开挖深度的不断加深，土体水平位移也不断增大；在开挖初期，土体水平位移主要集中在基坑内侧支护结构顶部附近的土体，随着基坑开挖深度的不断加深，土体水平位移最大值开始下移，在开挖完全之后，土体最大水平位移位于桩体2/3H处(H为桩体深度)，基坑短边最大值约为24.4 mm，长边最大值约为29.8 mm，坡顶最大位移短边约为16.8 mm,长边为21.5 mm,计算所得位移接近于实际监测数据；土体水平位移长边明显大于短边，且在同一边土体位移呈现抛物线分布，即中间位移大，两侧位移小，说明基坑存在明显的“角部效应”[5]。

3.3 基坑土体竖向位移分析

基坑开挖所产生的竖向位移较为常见的是坑体土体隆起以及基坑周边突起沉降[6]，如图3所示。

由图3可知，在设定初始竖向位移为0时，基坑开挖完成后竖向位移发生在基坑坑底处，位移方向向上，最大位移约为35.38 mm，且基坑坑底隆起呈“两边小，中间大”的趋势，另外在基坑周边位置，存在一定的土体沉降，沉降值在35 mm左右，位置在基坑西侧，可能是受到超载原因，与实际监测数据相比较为吻合，分析基坑坑底隆起与周边土体的沉降原因为：土体开挖是开挖面原有土体自重荷载消失，继而引起坑底土体产生回弹效应，而随着围护结构向开挖面的位移导致临近坑壁的土体会有一定的下沉。

3.4 围护结构变形分析

由于本模型将桩锚支护结构简化为连续墙进行分析[7]，如图4所示为短边方向围护墙变形情况。

由图4可知，随着基坑开挖深度的不断加大，支护桩的位移不断增大，基坑开挖完全之后，桩体最大位移出现在基坑1/2h处(h为开挖深度)，与实际监测结果相吻合，长边最大位移29.71 mm，26.66 mm，且与实际监测数据比较接近，另外一方面在基坑开挖到同一深度下，靠近基坑坑壁中间的位移越大，同样是形成抛物线趋势的桩体位移，再次验证了基坑在开挖过程中存在“角部效应”。

3.5 锚杆轴力分析

如图5所示为基坑开挖完全之后的锚杆轴力情况。

由图5可知，基坑在开挖完全之后，锚杆轴力在自由端分布比较均匀，锚杆作用力以受拉为主，从自由段到锚固段锚杆受到的轴力减小，随着基坑开挖深度的不断增加，锚杆轴力也在不断增大，最终锚杆最大轴力约为332 kN，位于自由段，计算结果偏大，分析原因可能是由于预应力锚杆在实际工作中出现偏心受压或锚头出现损坏等情况，在实际工程中应防止该问题的出现。

4 结语

通过运用Midas/GTS有限元分析软件对基坑开挖过程模拟，以及计算所得到的结果可以得出以下结论：

1)利用Midas/GTS对基坑开挖过程模拟是可行的，对于在有限元模拟过程中的简化计算与实际情况的差异性有待进一步研究。

2)受桩体与冠梁共同作用下，基坑在开挖过程中土体水平位移出现在约2/3H处(H为桩体深度)。

3)在锚杆与冠梁共同作用下，支护桩在基坑开挖完全后位移最大位置在1/2h处(h为基坑深度)，在同一基坑边存在明显的“角部效应”。

4)基坑底部隆起在基坑开挖过程中呈现“两边小，中间大”的趋势，在基坑开挖完全后应及时做地板处理，防止出现安全事故。

5)预应力锚杆主要以受拉为主，并且从自由段到锚固段受到的轴力逐渐减小，实际工程中，应防止锚杆出现偏心受压或锚头受损的情况。

[1] 张瑞敏,刘华伟.深基坑支护开挖过程模拟分析[J].低温建筑技术,2014,36(7):105-107.

[2] 李 治.Midas/GTS在岩土工程中应用[J].岩土力学,2013(8):2413.

[3] 马 祥.超大深基坑工程支护结构水平位移与支撑轴力分析研究[D].延吉：延边大学,2014.

[4] 刘国彬,刘金元,徐全庆.基坑开挖引起的土体力学特性变化的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2000,19(1):112-116.

[5] 皮崇斌,汪 勇.基于三维有限元法的基坑角部效应分析[J].土工基础,2013(4):121-124.

[6] 杜 涛.深基坑底部隆起变形规律研究综述[J].城市建设理论研究(电子版),2013(13)：62-63.

[7] 徐 魏.深基坑支护结构的优化选择研究[D].长春：长春工程学院,2015.

[8] 李昌永.预应力锚杆支护在地基处理中的应用[J].西部探矿工程,1996(2)：94-95.

The simulation analysis on deep foundation pit excavation process based on GTS finite element analysis technology

Guo Shuxiang Deng Hongliang Ma Libin

(ArchitecturalEngineeringSchool,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

Using the Midas/GTS finite element analysis software, this paper simulated the foundation pit excavation process of a engineering, analyzed the stress and displacement variation law in excavation process, and compared with the field monitoring data, then verified the feasibility and correctness of finite element analysis technology in foundation pit excavation process simulation.

deep foundation pit, finite element model, retaining structure, anchor

1009-6825(2017)15-0064-03

2017-03-19

郭树祥(1989- )，男,在读硕士; 邓洪亮(1963- )，男,博士,教授级高级工程师； 马丽斌(1990- )，男，在读硕士

TU463

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