有限元数值分析在基坑围护设计中的应用

第３６卷第２３期　２　０　１　０年８月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥ　ＨⅡ　Ｅ　Ｖ０１．３６　Ｎｏ．２３　Ａｕｇ．２０１０　・１２５・　

文章编号：１００９．６８２５｛２０１０）２３．０１２５—０２　

地下连续墙支护深基坑开挖的有限元分析　

李冬林王荣菊　

摘要：结合上海某深基坑工程施工实例，通过建立弹塑性数值分析模型，对深基坑工程墙一撑支护进行了相关分析，并　探讨了深基坑开挖过程中支护结构位移变化、土体塑性区发展等情况，得出了基于有限元分析方法的相关结论。　

关键词：地下连续墙，基坑开挖，基坑变形，结构受力　中图分类号：ＴＵ４６３　文献标识码：Ａ　

近年来，随着我国城市建设的高速发展，城市化进程不断加　快，使地下空间工程逐步向超深、超大规模的方向发展。地下空　间的开发与利用成为工程建设的一项重要内容，这使得深基坑工　程已成为近几年来岩土工程界的一个最热门的研究课题之一。　

基坑工程既涉及到具有复杂本构关系的地基土强度和稳定　性问题，又涉及到土一支护结构界面的非连续接触行为　２ｊ。本文　基于非线性有限元分析方法，通过建立弹塑性数值分析模型，采　用基于表面的Ｃｏｕｌｏｍｂ接触对罚函数摩擦模型，对某深基坑工程　

墙一撑支护进行了相关分析，分析和探讨了深基坑开挖过程中支　护结构位移变化、土体塑性区发展、地表沉降等情况。　

１工程概况　

上海市某工程地处上海浦东小陆家嘴金融贸易中心区，基坑　周边市政管线和建筑物众多，环境保护要求极高。拟基坑工程面　积约为１８　０００　ｍ２，基坑开挖深度主楼区域约为１６．５０　ｍ，裙楼区　域约为１５．５０　ｍ，属超大型深基坑工程，基坑保护等级为一级。为　了最大限度的控制基坑开挖阶段对周边环境产生的不利影响，综　

合考虑安全、经济、环境、施工便利等因素，围护形式采用墙一撑　支护。在主楼侧和裙楼地铁侧区域采用１　０００　ｍｍ厚地下连续　墙，有效长度分别为３６．５０　１ＴＩ和２９．８０　Ｉｎ；裙楼采用８００　ｍｍ厚地　下连续墙，有效长度为２７．７０　ＩＴＩ。支撑体系采用钢筋混凝土支撑，　

第３期　２０１８年０９月　岩土锚固工程　ＹＡＮＴＵ　ＭＡＯＧＵ　ＧＯＮＧＣＨＥＮＧ　Ｎ０．３　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０１８　

基于Ｍ　ｉ　ｄａｓ／ＧＴＳ的深基坑开挖与支护的　

数值分析　

侯效毅　（中铁隆工程集团有限公司）　

［摘要］　结合某城市地铁出入段线，采用有限元软件Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ对基坑的开挖与支护过程进行了数值　模拟，用莫尔一库伦弹塑性模型模拟土体特征，获得了不同支撑间距、桩间距及嵌固深度条件下，围护　结构变形和弯矩的变化规律，对工程设计和施工有一定实际意义。　［关键词］　深基坑开挖与支护变形数值分析　

１　引言　随着城市轨道交通工程的建设和开发规模　越来越大，与地铁有关的深基坑支护工程也越　来越多，因此探讨如何更为真实地模拟基坑开　挖与支护的过程，变得十分必要。支护结构的强　度与变形计算是基坑工程设计的最主要内容之　一，其中围护和支护体系的结构内力计算是设计　计算的重要内容和方案选择的主要依据。影响　基坑围护结构变形的因素众多，在基坑支护结　构设计中必须筛选出主要的影响因素。对于一　个确定的基坑工程而言，基坑平面形状，深度，　场地工程地质水文地质条件，周边环境状况是　已知的，影响基坑变形的关键要素包括：支护结　构刚度，围护桩的嵌固深度，桩体直径、间距，支　撑平面、竖向设置形式及支撑刚度等。　本文就从实际工程出发，对某城市地铁一　号线出入段线深基坑开挖过程的力学模拟通过　Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ来实现，并就钢支撑布置间距、围护　桩的问距及嵌固深度做重点分析。　

２工程概况和地质条件　２．１　工程概况　本出入段线周边环境相对简单，区间施工场　地比较开阔，均采用明挖法施工。基坑深度约为　１５．５ｍ，基坑宽度约为１Ｏ．９ｍ，围护结构采用ｑｂ　８ＯＯｍｍ　钻孔灌注桩］３￣ｑｂ６ＯＯｍｍ，ｔ＝１６ｍｍ的钢支撑支护结构，　竖向设置三道支撑，如图ｌ所示。区间地下段结构为　单层两跨矩形框架结构，出地面为Ｕ型结构。　

图１　围护结构横剖面图　

第３７卷第２７期　２　０　１　１年９月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．２７　Ｓｅｐ．　２０１１　・１７１・　文章编号：１００９—６８２５（２０１　１）２７—０１７１－０２　桥墩附近基坑开挖对桥墩基础影响的数值分析　张海东　摘要：以高铁桥墩边地铁基坑围护设计为研究对象，借助有限元程序分析基坑开挖过程中对高铁桥墩桩基础的变形影　响，对后期施工监测提出了理论指导意见，以期保证施工安全，杜绝安全事故隐患。　关键词：桥墩，基坑防护，高铁基础，位移　中图分类号：ＴＵ４６３　文献标识码：Ａ　０　引言　随着城市规模的不断扩大，城市交通设施不断向外延伸，城　市交通设施和城际高铁的交叉增多，给工程造成困难，特别是高　铁对变形和位移影响要求高，邻近基坑施工对其影响较大，随着　计算理论的不断完善，空间计算软件的不断推出，采用有限元对　基坑施工影响进行分析指导。　本文就上海轨交１２号线下穿沪杭高铁为工程背景，采用岩土　工程软件ＰＬＡＸＩＳ模拟分析。其结果为基坑工程的施工提供了指　导性的数据，对施工进行控制。同时对类似的设计具有指导意义。　１　工程概况　上海轨交１２号线中春路停车场出入线下穿沪杭高铁的支撑围　护设计。本工程呈东西走向，基坑宽ｌ８．７　Ｉｎ，长（最长处）２９．０１　Ｉｎ，　基坑开挖深度由西至东为９．２　１７／～９．６　ｍ。基坑下穿在建的沪杭　客专松江特大桥５６　Ｉｎ连续梁段及沪昆铁路。沪杭客专在本段施　工时已完成土建部分的主要工程；基坑南侧边缘至沪杭客专松江　特大桥Ｐｍ３７号桥墩承台最近处约为５．８５　ｍ，基坑北侧边缘至沪　杭客专松江特大桥Ｐｒｏ３６号桥墩承台最近处约为１８．６３　ｍ。　工程主体结构围护结构采用１．０　ｍ和１．２　ｍ钻孔灌注桩和高　压旋喷桩止水帷幕，靠近桥墩侧采用１．２　ｍ钻孔灌注桩；其余采　用１．０　ｍ钻孔灌注桩，桩长２２　ｍ，插人比约为１．２；钻孔灌注桩外　面设置一排＋６ｏｏ＠４００高压旋喷桩止水帷幕，深１６．０　ｍ，插入不　透水层⑤　粘土层。沿深度方向设置三道支撑，第一道支撑位于　地面下０．７　ｍ处，第二道支撑位于地面下４．５　ｍ处，第三道支撑位　于地面下７．５　ｉｎ处，除第一道为混凝土支撑外其余皆为６０９　ｍｌｎ　钢管支撑。　主要工程地质概述：拟建场地较为平坦，属滨海平原地貌，地　面标高约在４．４　ｍ～４．７　ｍ。　各土层自上而下为：　第②层为褐黄～灰黄色粉质粘土。　第③层为淤泥质粉质粘土，流塑，抗剪强度低，对基坑支护结　构稳定』生不利，③夹层砂质粉土，开挖时局部可能会产生管涌、流砂。　第④层为灰色淤泥质粘土，流塑，抗剪强度低，具流变特性和　触变特性。　第⑤层分布较为稳定，分为三个亚层，⑤　层为灰色粘土、⑤　层为灰色砂质粉土和⑤　层为灰色粉质粘土。　第⑥层为暗绿一草黄色粉质粘土。　第⑦层砂性土层埋藏较深，可分为两个亚层，⑦　层粘质粉土　层和⑦：层粉砂层，土性较好。　本场地浅部地下水属潜水类型，地下水位埋深０．５　ｉｎ。　２数值分析　２．１　有限元计算模型　为了评价影响段范围内基坑开挖对沪杭客专松江特大桥　（Ｐｍ３７号桥墩）的影响，我们选取基坑最不利Ａ—Ａ断面建立有　限元数值模型进行分析。　数值计算采用岩土工程软件ＰＬＡＸＩＳ模拟，几何对象采用平　面应变模型，有限元网格基于１５节点单元。对于桥墩和钻孔灌　注桩，按弹性受力状况来考虑，在计算中采用弹性梁单元模拟。　４，６００　ｍｍ高压旋喷桩加固采用置换土层参数方式模拟，基坑围护　结构与周围土体之问的摩擦力通过设置接触面单元并选取虚拟　厚度因子及强度折减因子（Ｒｉｎｔｅｒ）的值来模拟；支撑结构采用锚　杆单元模拟。　模型边界条件：底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动　约束，表面取为自由边界。基坑计算土层区域横向１１５　ｉｎ，纵向　８０　ｍ，基坑深度按１０　ｍ考虑，南侧基坑地下水位线取地表以下　０．５　ｍ，土层参数按地勘报告实际选取。　２．２计算参数　１）土体的物理力学参数。　数值计算模型按照实际分层情况模拟，基坑土体自上而下分　为１０层；西侧基坑分为９层。为反映初次加载和卸载一再加载之　间的刚度差别，基坑开挖过程中土体采用强化岩土模型（ＨＳ模　型）来模拟，土体的物理力学参数按照地勘报告实际选取。　２）围护结构的刚度参数。　既有沪昆铁路和沪杭客专（Ｐｍ３７号墩）边采用１　２００　ｍｍ钻　孔灌注桩围护和高压旋喷桩止水帷幕，其余地段采用１　０００　ｍｍ　钻孔灌注桩围护和高压旋喷桩止水帷幕，基坑内坑底采用高压旋　喷桩加固土体。　在平面应变计算中，将桩简化成桩墙。报告将空间问题简化　成平面问题计算，采用对桩身弹性模量进行折减的方法模拟桩。　１　０００　ｉｎｉｎ钻孔灌注桩换算刚度Ｅ１＝１．６６７×１０。ｋＮ・ｍ２／ｍ，　抗压刚度ＥＡ＝２．０×１０　ｋＮ／ｍ。　ｌ　２００　ｍｍ钻孔灌注桩换算刚度Ｅ１＝３．６２９×１０。ｋＮ・ｍ２／ｉｎ，　抗压刚度ＥＡ：３．０２４×１０　ｋＮ／ｍ。　３）支撑结构参数。　基坑支撑采用钢筋混凝土支撑和钢管支撑，＋６０９　ｍｍ钢管支　撑的抗压刚度ＥＡ＝５．９６×１０　ｋＮ，钢支撑水平间距为３　ｍ。　１　０００　１ｉ＂１１１１×１　０００　ｍｉｌｌ钢筋混凝土支撑的抗压刚度ＥＡ＝３．０×　１０　ｋＮ，顶部混凝土支撑水平间距为６　ｍ。　４）基坑施工超载。　基坑横向超载一侧取至Ｐｍ３７桥墩边缘，另一侧横向取１５　ｍ　收稿日期：２０１１—０６—１７　作者简介：张海东（１９７７．），男，工程师，中铁上海设计院集团有限公司，上海

１１２　低温建筑技术　２０１２年第７期（总第１６９期）　

对某基坑邻近原水管线的有限元分析　

顾振敏　

（上海华虹科技发展有限公司。　上海２０００７０）　

【摘要】　以上海为代表的软土地区，基坑在施工过程中，风险较高，变形大，其对周边环境的影响问题越来　

越受到重视。本文结合上海地区某基坑工程支护设计，采用ｐｌａｘｉｓ软件通过弹塑性有限单元法来进行施工仿真模　

拟，定量计算基坑开挖过程对周边原水管线的影响，并对本工程进行了信息化监测。监测数据表明，本工程采用　

的支护措施可以有效控制基坑变形，未对原水管线造成不良影响。　

【关键词】软土地区；基坑支护；水泥土搅拌桩重力坝；原水管线；有限元　

【中图分类号】ＴＵ４６３　【文献标识码】Ｂ　【文章编号】１００１—６８６４（２０１２）０７—０ｌ１２—０２　

随着城市建设的加快，地下空间的利用越来越受　

到人们重视，地下工程对周边构筑物的影响问题日益　

突出，特别是在以上海为代表的软土地区，基坑在施　

工过程中，风险较高，变形较大，因此，选取支护方案　

时应充分分析基坑开挖对周边构筑物的影响。　

在临近施工问题的理论分析中，用于地表、地层　

沉降分析的方法主要有经验法和解析法，而用于分析　

对周边构筑物影响的方法主要是数值分析法　。　。　

有限单元法作为一种数值分析方法已经广泛应　

用于工程实际中，并在不断指导工程建设。根据有限　

元计算结果，结合实际工程经验，来判断基坑开挖对　

周围环境的影响程度，以此来作为基坑设计的依据。　

本文结合实际工程，采用ｐｌａｘｉｓ软件通过弹塑性有限　

单元法来进行施工仿真模拟，定量计算基坑开挖过程　

对周边环境的影响　。　

１　工程概况　

本工程位于上海市浦东新区，拟建为地上１２层建　

筑物；设一层地下室，呈矩形，周长约２７７ｍ，面积约　

３７００ｍ　，基础形式为承台＋筏板＋桩基础。东侧挖深　

６．Ｏｌｍ，其余三侧挖深为４．３０ｍ，局部超挖Ｉ．５０ｍ。　

基坑东侧地下结构外边线距离用地红线最近距