关于深基坑工程的数值仿真分析

DOI： 10. 3969/j. issn. 1672-2469. 2018. 09. 023

关于深基坑工程的数值仿真分析

韩

冬

梅

，许经宇

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021)

摘要：针对深基坑工程对有限元数值模拟深基坑开挖与支护方法作了详细介绍和研究，并以白沙滩泵站深基坑为

工程实例进行了有限元数值仿真模拟与分析。通过

GTS软件对其建立二维有限元模型，分析其在各施工阶段的

文章编号：1672-2469(2018)09-0082-02

水平位移、沉降以及支撑轴力，对类似泵站基坑工程的设计与施工有积极的参考意义。

关键词：深基坑；数值模拟；水平位移；沉降 中图分类号：

TV551.4

文献标识码：

B

1 工程概况

支护桩的直径—桩心间距。

故取支护排桩有效厚度为1m，并假定为弹性 材料，在二维模型中采用梁单元。支护结构参数见 表2。

(4) 土体的本构模型选择莫尔一库伦模型。

2.2有限元网格划分及边界处理条件

白沙滩栗站主栗房基坑最大深度为17m。该段 主体结构总挖方量为15607m3,基底及基底以上至 地表的地层都在强风化混合岩及以下地层，用机械 直接挖取。

基坑围护采用预制板桩、钢板格子围堰或双层 钢板桩，第一道支撑采用800 m 600混凝土支撑， 其余采用.609 m 14钢管内支撑作为基坑支护结 构，墙顶设冠梁。两侧钢板桩与双层钢板桩之间全 部采用.609 m 14钢管斜支撑支护，基坑内最多处共 设5道支撑。另外，钢支撑与围护桩之间节点设50i 双拼工字钢围檩。本文采用有限元软件对该工程进 行分析和计算，相关成果为以后工程提供类似经验。

&& 1

有限元模型的建立基本假定

地表沉降影响范围可达基坑开挖深度的5 倍，主要影响区在开挖深度的1倍范围内，距开

挖区1~2倍范围内为次要影响区，在确定边界 时，一般取基坑开挖的影响深度为开挖深度的2 ~4倍，影响宽度开挖深度的3 ~4倍[3]。结合 工程实际情况及围堰位移分析结果可知，沉降 均未超过8mm，因此本文在数值模拟过程中不 考虑围堰和波浪荷载作用。数值基坑模型长 40 m，宽 30m。

在有限元模拟中，网格的划分精度及均匀性对 计算结果会产生较大的影响。本工程二维网格划分 路线是：首先利用映射网格K-线面功能划分基坑 内部网格，定义单元尺寸为1m，并分别定义各土 域；然后对支撑及桩单元划分网格，分别定义 属性[4]。

采用位移约束边界条件：地表面只有模型四周 约束法相水平位移，底面约束（B，C D3个方向 约束，如图1、2所示。

收稿日期！ 2018-06-01

(1) 土体为均质、各项同性材料，各土层物理 指标见表1。

(2) 支撑为弹性材料，设置为梁单元[1]。

(3)

与地下连续墙相似，又由于桩顶冠梁连接加强了整 体性，所以计算中便可以按桩墙抗弯刚度相等的原 则等价为一定厚度的壁式地下连续墙进行内力分 析。按照以前的经验证明，按等价的壁式地下连续 墙设计，结果是偏于安全的、合理的[2]。

层属性；再利用自动划分网格功能划分基坑外部区 钻孔灌注桩组成的支护排桩，其受力形式

式中，@一连续墙的厚度；#一经验修正系数+ <% • 82 •

作者筒介：韩冬梅（1984年一），女，高级工程师。

科研与管理

水利规划与设计

2018年第9期

表1

各土层物理指标

土层含水量天然容重

弹性土层名称

黏聚力

内摩泊松/(kN/m3 )

模量

/kPa

擦角号

/kPa

/(。）比②淤泥质粉质黏土38. 218. 39420011..20.3②粉质黏土34. 918. 61185017.913. 70.3③含黏性土圆砾30. 919. 31000024.321. 50.3⑤粉质黏土27. 719. 62592025.421. 70.3⑥

粉质黏土

32. 9

18. 9

13620

21. 1

20. 2

0.3

图1

基坑二维有限元网格

2.3定义荷载

(1) 定义自重荷载：在荷载选项下选择自重并定义T方向自重系数为-1。(2) 定义超载：在荷载选项下选择压力荷载定义基坑两侧土体为施加荷载区域，选择荷载方

向，确认。

3

数值计算结果分析

泵站深基坑开挖过程中水平位移、沉降以及轴 力在实际监测及施工过程中尤为重要，每个数值的 改变都能反映出相应基坑开挖的安全与否，以下为 有限元模型数值计算结果的分析与研究。

3.1 水平位移

由图2可以看出，在开挖完成时最大水平位移 出现在转角1截面基坑边界20m深处，最大变形为 23.mm，在控制范围内。各截面水平位移随着深 度的増加，总体呈现先増大后减小的趋势。基坑顶 部由于支撑作用水平位移向基坑外侧偏移，底部由 于土压力的作用强于支撑则向基坑内部偏移。

3.2基底竖向位移

由图3可以看出，基坑底部竖向位移随着开挖

32 02 5 1 0 1 50 5

-5t

4 6 8 10 12 14 16 20 22 24 26

深度/m

图2开挖完成各截面水平位

深度的増大而増大，最大位移出现在转角1截面第 五步开挖完成时，最大隆起值为163.24mm，也在 控制范围内。

—♦—东 5-■一东

20+

东 03 8 转角1+转角-•一西 0^西

25

32 图3

各截面不同施工阶段基地最大隆起值

3.3支护结构轴力

由图4可知，支撑由上到下轴力成递増趋势，

第， 5道支撑由于相对较短，所以出现了轴力变小的

情况。最大支撑轴力出现在转角1的第4道支撑，

其， 值为700kN，满足设计要求。

8o

7

oo柔5 o

6o东25oo4o转 3 角3

o转8自角自

2西3 1

西2- 5

|图4

各截面支撑轴力

4

结语

目前我国深基坑工程越来越多，且越发复杂， 对深基坑变形的控制也越来越严格。本文以白沙滩

泵站深基坑工程为例，利用Midi (下转第173页）

• 83 *

设计施工

.411 .3.2.11.0 1 11 11

水利规划与设计2018年第9期

0^0稳定性系数持续降低，在大约14h时降为最低 1.107,并在后期有所回升，到计算的62h时回升到 1.172，由此也反映出了坡体渗流的排干作用。并且 通过与刚体极限平衡方法综合分析边坡的稳定性可 分析出该高切坡在天然状态下稳定性良好，在该特 定降雨条件下历时降雨2h时边坡稳定性尚且满足安 全要求，2h以后边坡稳定性在安全储备上稍显不足。

参考文献

°'9〇1

1

图3

时间

降雨条件下稳定性系数曲线

20 40

/h

60 80

[1] 全国地质灾害通报（2008 ) [/].中国地质环境信息

(1) 通过计算可得出降雨引起的人渗导致岩土 网，2009 =体含水量增加，孔隙水压力上升，基质吸力下降， [2] 周维恒.髙等岩石力学[].北京：水利水电出版社，1990.

[']王恭先，徐崚龄，刘光代，等.滑坡学与滑坡防治技术[].北加大了岩土体的容重，并导致了岩土体抗剪强度的

京：中国铁道出版社，2004.

降低。而在降雨过程中坡肩表层的残坡积土孔隙水

[〇]山田刚二.滑坡和斜坡崩坍及其防治[].北京：科学出版

压力变化最为显著，全风化次之，强风化层孔隙水 社，1980.压力变化较小。在降雨初期残坡积层最先形成暂态 [5] 胡云进著.裂隙岩体非饱和渗流分析及其工程应用[].杭 饱和区，在降雨6h停止后，暂态饱和区不断下移， 州：浙江大学出版社，2009.

[6] 周创兵，叶自桐，熊文林.岩石节理非饱和渗流特性研究[]. 并在残坡积土层形成了孔空隙水压力区，随着雨后

水利学报，1998 (03 )! 22-25.坡内渗流的继续进行，高孔隙水压力区由降雨6h

[7 ] ， .

时的大范围连接区域变成数块分割断裂的小区域，

并所属高孔隙水压力区不断下移到强风化层。[]. ，1995，14(81)! 3-9.

(2) 在考虑到风化石英片岩物理强度的各向异性 [8] . [ ].

，1962，12(04)： 348-350.情况下，运用Geostudu有限元软件的SLOPE模块设

[9 ] ， .

置该高切坡各向异性物理参数，分析在降雨过程中其

[ ] •

稳定性的动态变化，通过计算显示，由于在降雨停止 ，1977 ( 103 ).后坡内渗流继续进行，因此在边坡的稳定性分析上反 [10 ] .非饱和土力学 ].北京：中国建 映出了稳定性系数的滞后性，在降雨6h停止后边坡筑工业出版社，1997.

主要内容和结论如下！

EBOL

M

M

M

M

J

FredlundDG，GanJKMGallenPSuctionmeasurementson

compactedtillspecimentsandindirectfilterpapercalibrationtechnique JTransportationresearchrecord

DColemanStressStrainRelationsforPartlySaturatedSoilsJGeotechnique

FredlundDGMorgensternNRStressstatevariablesfor unsaturatedsoilJJournalofGeotechnicalandGeoenvironmental Engineering

FredlundDG，RahardjoH[M

参考文献[1] 赵海燕，黄金枝.深基坑支护结构变形的三维有限元分析与模 护结构水平位移、基底隆起、支撑轴力等的变化规

拟[].上海交通大学学报，2001(04): 610/13.

律，并得到以下结论：

[2] 梅传书，徐海峰，严驰.深基坑开挖的有限元模拟与实验研究

(1) 有限元Mias/GTS软件建立的工程模型很 [].水文地质工程，2000, 1(05): 8-11.好地模拟了基坑开挖的过程，够使基坑施工变得可 [3] 应宏伟.软土深基坑开挖的有限元分析[].建筑结构学报，

1999，10(08 ) ： 20-24.视化、信息化，可以为类似工程提供参考。

[〇]张忠苗，赵玉勃，吴世明，等.杭州庆春路过江隧道基坑围护体

(2) 随着施工的进行，土体不断被挖出，支护

系设计分析[].岩土工程学报，2010, 32(09): 1399-1405.

结构的深层水平位移不断增大，开挖面以上部分水 [5] 苑萩.土方吹填施工技术在龙头寨大型基坑工程的应用[].水 平位移明显比开挖面以下部分大，由于支撑作用， 利技术监督，2012, 20(03): 49-51 +61.

[6] 陆福春，陈俊.髙层基坑围护工程方案设计分析[].水利技术 桩体位移在支撑位置附近明显减小。

监督，2006(02): 59-61.

(上接第83页）/GTS软件研究该工程施工过程中支

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于倒扣的“盆”。可进一步通过现场监测数据对其

计算结果的正确性进行验证。

[7] 洪辉.博斯腾湖东泵站地基处理方案比较[].水利技术监督，

2015，23(04) : 77-79.[8] 庄铁钢，崔润生.双塔宾馆基坑围护工程设计与施工[].水利

2011，19(06): 68-71.(4) 支撑轴力总体上呈由小变大并趋于稳定 技术监督，

[9] 李玉钦，，姚成林，等.排水深井在水利加固工程中的应用

的变化规律。在多道支撑中从上到下轴力依次增

[].水利技术监督，2002(01): 44-46.

(3) 基坑坑底隆起规律为两边小中间大，类似

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大，其中靠近坑底的支撑轴力最大同时变化也

较大。

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[10] 钟一凡.水电站土石方开挖施工实例探讨[].水利技术监督，

2014，22(05 ) : 76-78.

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