丁海涛1，张伟1，杨纬卿1，王超2
1.云南建投第一勘察设计有限公司，云南 昆明 650000
2.云南机场集团有限责任公司，云南 昆明 650000
摘要：以蒙自某采用桩锚支护形式的基坑为研究对象，对基坑的桩顶水平位移、桩顶竖向位移、周边道路沉降和支护桩深层水平位移进行监测，运用MIDAS/GTS有限元软件对基坑开挖过程进行数值模拟，并将模拟值与监测值进行对比，结果表明模拟值与监测值基本保持一致，为该支护形式下的基坑设计与施工提供一定参考。
关键词：基坑；桩锚支护；MIDAS/GTS；监测
随着城市规模的不断发展，基坑的开挖深度越来越大，复杂性也显得尤为突出。因此，基坑的监测工作越来越受到重视，对于深基坑工程开挖过程的稳定性及围护结构的变形规律，许多学者进行了分析研究。本文以蒙自某深基坑为例，采用MIDAS/GTS有限元软件进行数值模拟，结合基坑各项监测结果进行分析，最后将模拟值和监测值进行对比分析，为类似基坑工程的设计与施工提供了参考。
1 工程概况及地质情况
1.1 工程概况
拟建的蒙自市某项目位于红河州蒙自市北京路与天马路交叉口东南侧，整个项目有4栋17层的高层，在局部位置还有4层高的裙房，高层建筑为框剪结构，裙房建筑为框架结构，有3层地下室。本基坑为不规则的九边形，基坑场地东北侧与居民住房仅约5.0m，东南面与超市的最近距离仅约3.4m，基坑的四周均埋有地下管线且埋深较浅，对于基坑开挖有较大影响。
1.2地质情况
根据勘察报告，场地地层从上而下共分为四层，分别是第四系人工填土层、第四系坡洪积地层、第四系坡残积地层、第三系地层，主要特征如下：第1层，人工填土，平均厚度2.11m；第2层，粉质黏土，平均厚度2.41m；第3层，含砾粉质黏土，平均厚度0.76m；第4层，黏土，平均厚度0.71m；第5层，强风化岩，平均厚度4.05m；第6层，中风化岩，平均厚度26.0m。
2监测内容及基坑支护设计方案
2.1 监测内容
本基坑监测以仪器监测为主，现场目测为辅的监测原则，对以下项目进行监测：（1）采用电子水准仪对桩顶水平位移进行变形监测；（2）采用高精度全站仪对桩顶水平位移进行变形监测；（3）采用测斜仪对深层桩身水平位移进行监测；（4）采用水准仪对道路、管线、周边建筑物进行监测。
2.2 基坑支护设计
根据有关规范标准，结合本工程的规模周边环境，遵照“安全、合理、经济、可行”的原则，采用桩锚支护这种支护形式，支护桩具体参数如表1所示，在基坑深度的4m、6.2m、8.6m、11.2m和13.8m处共设置五道锚索，锚固体直径为150mm，锚索索体为3～4束Φ15.2强度等级1860级的低松弛粘结钢绞线。
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3 监测点位布设
拟在变形区外尽可能靠近测区的地方，选择稳固可靠、无剧烈震动不受冬雨季影响、通视良好的原状土层中埋设水准基点3个，用以相互检核以保证基准网的稳定。在基坑三个大角点，应力最小处布设水平观测基准点，以便观测基坑边水平位移，基坑监测点布置如图1所示， 基坑水平位移和竖向位移监测点共布设26个，道路、管线、周边建筑物沉降监测点共布设107个，深层桩身水平位移监测点共布设7个。
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图1 基坑监测点布置图
Fig1 layout of monitoring points for foundation pit
4 基坑开挖数值模拟
4.1 MIDAS/GTS简介
MIDAS/GTS（Geotechnical and Tunnel Analysis System）是由MIDAS IT结构软件公司开发的岩土与隧道结构有限元分析软件。MIDAS/GTS将有限元分析与岩土隧道结合起来，具备强大的岩土分析功能，主要有静力分析、施工阶段分析、稳定流分析、非稳定流分析、特征值分析、时程分析和反应谱分析，是岩土和隧道分析与设计最优解决方案之一。MIDAS/GTS不仅能够将复杂的几何模型进行可视化的直观建模，而且MIDAS/GTS独特的Multi-Frontal求解器能够提供较快的运算速度。
4.2 模型几何参数
在使用MIDAS/GTS进行三维模型建立时，将支护桩、冠梁、腰梁和土体作为一个相互作用的体系进行分析，结合现场施工计划，做了以下三点假设：
（1）支护桩、冠梁、腰梁、锚杆均为弹性材料，土体假定为理想的弹塑性材料，采用莫尔—库伦模型；
（2）在土体开挖前不考虑施工支护桩引起的土体位移的改变，土体的初始应力假定为静止土压力；
（3）基坑开挖前采用降水措施，使开挖深度在地下水位以上，故不考虑地下水的渗流作用。
开挖的基坑为不规则的九边形，基坑采用桩锚支护，由于基坑的尺寸较大，所以本次建模时，不考虑基坑的整体空间效应。本次模拟考虑的是1-1剖面的基坑变形以及模拟值和监测值的对比。基坑的开挖深度为15.7m，在建立有限元模型时，基坑支护结构坑外的土体和竖直方向上的模型不得小于基坑开挖深度的3～5倍，建立的模型尺寸为105m×32m×50m。
4.3 模型建立
模型中的支护桩视为弹性材料，浇筑的是C30混凝土，间距为1600mm，沿基坑周边布置，桩长21m，桩后土体及桩间土体采用Mohr-Coulomb本构模型，桩土之间设置的是没有厚度、没有质量的桩接触面单元，根据勘察结果，本基坑自上而下一共有六个土层，分别是人工填土、粉质黏土、含砾粉质黏土、黏土、强风化岩和中风化岩，土层具体的物理力学参数。冠梁截面为1200mm×800mm，腰梁截面为450mm×500mm，冠梁在桩顶布置一道，腰梁分别布置在-4m、-6.2m、-8.6m、-11.2m、-13.8m。预应力锚索的截面面积为0.0225m2,在模型中看成植入式桁架。根据构件截面分别建立支护桩、冠梁和腰梁混凝土梁单元。
模型按施工阶段分析，主要分为七个工况来模拟各个阶段，MIDAS/GTS中各个工况主要是采用激活和钝化的方式来实现。
4.4 数值模拟分析
4.4.1 基坑水平位移和竖向位移
衡量基坑稳定与否的重要标志是基坑的位移，也是导致支护结构内力产生的根本原因，因此，清楚认识基坑土体变形对基坑支护设计是非常重要的。
施工模拟各工况状态时基坑位移情况见表2所示。由模拟成果成果可知，在前五次开挖中，后一次开挖相比前一次开挖的最大偏移量基本上增加在3～4mm，第六次开挖相比第五次开挖产生的最大水平位移增加了4.03mm，比前几次开挖的增加量稍大。可得随着深度不断增加，相同深度处的土体位移也会变大，并且距离开挖面越近的岩土体位移也越大，随着到开挖面距离的变大土体位移会慢慢减小。这表明随着基坑开挖深度的增加，基坑受扰动的土体范围也越来越大，特别是距基坑各开挖面较近的范围内土体扰动情况比较明显，也是基坑变形大和破坏的最可能界面。
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在深基坑开挖过程中，支护桩后侧的土体向支护结构方向移动，土体打破了开挖前的平衡状态，致使支护桩附近的地表产生沉降。随着开挖的加深，基坑周围土体的沉降量越来越大，且基坑开挖的深度越大，其影响的沉降范围也越远。第一次开挖时，当开挖到4.5m的深度，在距坑壁2m处沉降量最大为2.59mm，影响的最远距离为10m；第二次开挖时，当开挖到6.7m的深度，在距坑壁4m处沉降量最大为4.53mm，影响的最远距离为12m；第三次开挖时，当开挖到9.1m的深度，在距坑壁5m处沉降量最大为5.78mm，影响的最远距离为14m；第四次开挖时，当开挖到11.7m的深度，在距坑壁6m处沉降量最大为6.54mm，影响的最远距离为15mm；第五次开挖时，当开挖到14.3m的深度，在距坑壁6m处沉降量最大为7.41mm，影响的最远距离为17m；最后一次开挖时，当开挖到15.7m的深度，在距坑壁7m处沉降量最大为8.72mm，影响的最远距离为19m。随着开挖的加深，基坑边的沉降量也会一直增加，但这六次开挖阶段坑边的沉降量变化不是很大。可以看出因基坑开挖发生沉降最严重的位置距坑边的距离大致为基坑开挖深度的1/2左右。
4.4.2 支护桩水平位移
第一次开挖时，最大位移量为6.17mm；在第二次开挖时，最大位移量为9.33mm；第三次开挖时，桩顶的位移也是向基坑内侧方向偏移，最大偏移量为15.98mm；第四次开挖时，最大偏移量为21.63mm；第五次开挖时，最大偏移量为25.37mm；第六次开挖时，最大偏移量为26.14mm。从这六条曲线中可以看出，随着开挖深度的增加，桩的偏移量不断的增加，每一次的开挖产生的最大水平位移与前次开挖产生的最大水平的增长量是呈现减小的趋势，这说明锚索的锚拉作用限制了支护桩的水平位移，使支护桩的水平位移增加的较为缓慢，在工况7最后一次开挖中，虽然没有设置锚索，支护桩的水平位移增加的较小，分析原因是因为工况7开挖的深度较小，支护桩桩顶附近的水平位移变化的幅度较小，在桩身中部区域下降的比较迅速。支护桩的嵌固段的水平位移都比较小，接近于零。总结支护桩位移的规律，支护桩是向基坑内侧偏移的，随着开挖的进行，支护桩的最大水平位移增加的越来越缓慢，支护桩最大水平位移总是在桩顶附近产生的。
4.5 模拟值与监测值对比分析
由于本文主要研究的是基坑1-1剖面的支护变形情况，选择相应剖面实测值与模拟值进行对比，本文主要进行对比分析的是基坑水平位移、竖向位移变形、支护桩桩身深层水平位移、道路地表沉降。
通过实测值与模拟值的对比，可以看出：编号为P4的基坑的水平位移实测值和模拟值两者相差13.4%，P5两者相差9.1%，P6两者相差9.8%，P6-1两者相差13.8%，水平位移的模拟值和实测值相差在10%左右，位移方向均是向基坑内侧，P5、P6、P6-1这三个点都超过了基坑水平位移的报警值（25mm），这三个点的位置需要加强监测，防止基坑事故的发生；编号为P4的基坑的竖向位移实测值和模拟值两者相差15.5%，P5两者相差22.6%，P6两者相差17.8%，P6-1两者相差22.0%，使用GTS的得出的基坑竖向位移模拟值均比实测值小，大致相差在20%左右，四个点的实测值和模拟值均小于报警值（15mm）；周边道路的沉降监测点除了D8A点，其他监测点的实测值均大于模拟值，两者相差在10%至30%之间，实测值和模拟值均小于报警值（25mm）；桩身深层水平位移实测值和模拟值相差不是很大，且两者均小于报警值（30mm），最大位移部位在桩身0.5m处，模拟得到的支护桩最大位移部位在桩顶。
模拟值与实测值存在差距，可能的原因有如下几条：
①实际土层并非是水平分层分布的，而是不均匀的，但是模拟时假定土层是水平分层的；
②由于本基坑的模型尺寸过大，所以只选取了一个窄条的区域进行数值模拟，不能反映出深基坑工程中的时空效应；
③模型与实际工程的情况有一定的差别，比如：未考虑边坡的混凝土喷射的作用。因此，模拟分析时的理论情况要比实际情况简单，因而并不能十分准确地反映工程实际表现出的情况；
④实际工程受到的荷载复杂多变，且分布不均匀，数值模拟选取荷载时只考虑了主要部分荷载。
5 结论
本工程利用MIDAS/GTS有限元软件对基坑开挖过程及完成后支护结构的桩顶水平位移、桩顶竖向位移、周边道路沉降及支护桩深层水平位移进行分析，并将模拟值与监测值进行对比，分析两者之间存在差异的原因，结果表明模拟值和监测值基本保持一致，相差不大，验证了有限元软件模拟分析桩锚支护深基坑的可行性，为类似的基坑工程的设计和施工提供了参考。
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