随着城市化的推进, 深基坑工程项目越来越多, 同时深基坑面临的难题日趋加大。一方面深基坑开挖现场环境越来越复杂, 施工场地越来越小;另一方面基坑越挖越深, 这对深基坑的支护形式提出了更高的要求。内支撑结构的应用, 能够有效控制深基坑变形、保障围护结构稳定, 对深基坑的发展有着深远的影响。并且在实际深基坑工程项目中, 数值模拟日益受到重视, 结合现场监测工作, 能够更好地预测和控制深基坑的变形, 为深基坑工程的安全信息化施工提供保障。张嘉等^[1]应用有限元法, 建立反映真实开挖工况的三维模型, 对某复杂边界条件下的深基坑进行数值模拟, 探讨了钢筋混凝土排桩联合钢内支撑的基坑支护形式;郭余根等^[2]通过ANSYS软件建立地下连续墙、内支撑和土层三维整体有限元模型, 对深基坑开挖每步施工过程进行数值模拟分析, 并结合现场监测, 探讨深基坑变形受力规律;刘红军等^[3]运用理正深基坑三维协同计算对基坑开挖、支护进行了整体计算, 结合现场监测数据, 提出了不同的支撑样式对基坑的整体受力及变形的影响参考值;徐凌等^[4]运用FLAC^{3 D}软件对内撑式排桩支护的某深基坑工程进行了开挖模拟, 结合理正软件设计计算值和现场实际监测值进行对比分析;帅红岩等^[5]采用理正深基坑软件模拟地下连续墙+圆环内支撑结构在开挖、加撑及拆撑整个过程中的受力和变形, 并结合监测数据进行分析探讨;熊孝波等^[6]采用ANSYS有限元软件, 对支撑和地下连续墙组成的围护结构的变形进行了分析;邵权等^[7]通过数值模拟和现场监测, 分析桩撑锚组合支护结构的受力和变形规律, 并对其变形的影响因素进行了分析;李四维等^[8]通过现场监测结果, 并借助PLAXIS有限元软件对基坑开挖进行数值模拟, 探讨基坑变形规律。

通过既有文献分析, 大部分对内支撑结构的数值模拟研究基于ABAQUS, FLAC, ANSYS, PLAXIS等软件, 运用MIDAS/GTS较少, 并且针对土质差、开挖深和周边环境复杂条件下的单支点内支撑结构研究较少。因此本文针对施工开挖阶段, 运用MIDAS/GTS专业岩土有限元分析软件, 模拟分析不同工况下支护结构的变形与受力特性, 同时结合基坑监测技术, 验证数值模型的准确性, 系统地分析深基坑支护结构力学变形特性。

某深基坑位于长江北岸一级阶地, 具有土质差、开挖深、周边环境复杂等特点。土质条件较差, 全场均分布有淤泥质粉质黏土;开挖深度较深, 南侧及西侧开挖深度9.50m, 北侧及东侧开挖深度7.00 m;周边环境比较复杂, 北侧均为民房, 东南及西南侧均为市政道路, 但民房距基坑内壁最近仅为5.20 m。南侧及西侧自然地面绝对标高34.000 m, 北侧及东侧自然地面绝对标高31.500m, 基坑坑底自然标高24.500m。本深基坑环境复杂, 对支护结构安全性能要求较高, 故支护形式采用钻孔灌注桩+钢筋混凝土内支撑+水泥土搅拌桩止水帷幕的组合结构。基坑周边环境及支护结构布置如图1所示。

施工工序为西侧及南侧先进行放坡 (即ABCD段) , 开挖至31.5m时与东侧北侧同标高, 即达到桩顶标高, 然后进行工况1~工况3的施工。其中, 工况1为开挖至桩顶以下1m, 并架设内支撑;工况2为开挖至桩顶以下4m;工况3为开挖至坑底。

结合岩土工程勘察报告及大量工程实践经验, 运用MIDAS/GTS软件建立本基坑有限元模型。基坑支护模型材料参数如表1所示, 基坑模型网格划分如图2所示, 基坑支护结构模型如图3所示。

基坑开挖数值模拟过程中, 工况1~3排桩位移云图如图4所示。提取CX1~CX4排桩位移数据, 变形曲线如图5所示。

通过对CX1~CX4在不同工况时的变形曲线分析, 可以看出CX1, CX2, CX4变形基本呈现一致, 随着开挖深度的加大, 表现出两端小、中间大的“鼓肚状”特点。因为排桩受到支撑轴力及坑内土压力的作用, 两端位移受到限制, 从而表现出鼓肚状曲线。对于CX3, 其在HG段冠梁上, 该段冠梁上无内支撑作用, 桩顶位移变化明显, 并且随着开挖深度的加大, 位移曲线与悬臂桩变形曲线相似。通过CX3排桩与其他3根排桩变形数据对比发现, 内支撑作用明显, 有内支撑作用段, 桩顶变形明显得到控制, 变形量较小, 桩身整体变形呈现出鼓肚型特点;无内支撑作用段, 排桩顶部位移较大, 位移变化曲线与悬臂桩变形曲线相似。

提取排桩变形数据, 整理排桩最大位移及其位置如表2所示, 分析CX1, CX2及CX4发现, 随着开挖深度的加深, 即从工况1至工况3, 排桩逐步向坑内位移, 整体变形增大, 最大位移值为0.09%~0.22%倍的开挖深度, 且最大变形位置处于约0.71倍的开挖深度处。

基坑开挖三维模拟的过程中, 工况2至工况3过程中排桩弯矩分别如图6所示。

根据排桩弯矩云图, 并提取CX1~CX4排桩弯矩值, 得到排桩最大弯矩值及其位置结果统计表如表3所示, 发现随着开挖深度的加大, 即从工况2至工况3, 其弯矩不断增大, 最大弯矩均出现在工况3时, 位于排桩顶部以下4.5m处, 其中CX2排桩最大弯矩值达到655k N·m。通过分析CX1~CX4在不同工况时最大弯矩作用点, 发现最大弯矩位置与开挖深度的比值约为0.63。

根据内支撑轴力云图以及提取其内支撑变形数据可以看出, 随着开挖深度的增加, 即从工况2至工况3, 支撑轴力越来越大。基坑东侧、南侧、西侧冠梁最大轴力均位于其中部, 北侧冠梁最大位移位于该侧阳角附近。

本基坑根据GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》及DB42/T159—2012《基坑工程技术规程》制定监测方案, 主要选取深层水平位移、支撑轴力监测项目进行分析。进行钻孔灌注桩施工时, 在其钢筋笼上预埋测斜管CX1~CX4, 用于深层水平位移监测, 并在土方开挖前取得管偏移量初始值;开挖至桩顶以下1m、架设内支撑时, 预埋钢筋计ZL1~ZL5, 用于支撑轴力监测, 并在浇筑混凝土后4~7天内取得支撑轴力初始值。深层水平位移及支撑轴力监测点如图7所示。

本次基坑监测共进行40次深层水平位移监测和30次支撑轴力监测, 其中工况1时进行第4次深层水平位移监测;工况2时进行第10次深层水平位移及支撑轴力监测;工况3为开挖至坑底, 进行第20次深层水平位移及支撑轴力监测。

对工况1~工况3时排桩的深层水平位移监测数据进行分析, 如图8所示。

CX1, CX2, CX4排桩变形曲线呈现出“鼓肚状”, 与数值模拟排桩变形曲线相似;CX3桩顶位移变化较大, 近似于悬臂桩变形, 同样与数值模拟下该桩变形曲线相似;各工况下最大位移值及最大位移出现位置与数值模拟结果基本保持一致。对于排桩变形, 监测数据与有限元模拟数据基本保持一致, 验证有限元模型的准确性。

内支撑轴力监测数据与有限元模拟结果对比, 如表4所示, 对比ZL1~ZL5的轴力监测值与有限元计算值, 大小均接近, 且计算值与监测值的比值在0.96~1.31, 均能较好吻合, 并且大部分监测值均小于计算值, 符合基坑设计中的安全性原则。通过对比轴力监测值, 有限元计算得出的轴力变化规律与监测结果基本一致, 进一步验证MIDAS/GTS建立的数值模型是安全合理的。

本文结合工程实例, 建立有限元模型对内撑式排桩支护结构进行模拟, 并且结合基坑监测技术, 探讨内撑式排桩支护结构的力学变形特性, 得出以下结论。

1) 数值模拟手段能够对施工开挖过程中内支撑排桩结构的受力与变形进行动态捕捉, 防止支护结构破坏, 确保基坑施工顺利进行。

2) 随着开挖深度不断加深, 即工况不断推进, 排桩不断向坑内位移;内支撑结构位移也不断增大, 位移最大处位于每侧冠梁中部或者阳角处;排桩弯矩不断增大, 且最大弯矩作用点约为0.63倍的开挖深度处。

3) 内支撑对排桩变形作用明显, 能够有效限制桩顶变形, 排桩变形从而呈现出鼓肚状, 其最大位移值为0.09%~0.22%倍的开挖深度, 最大变形位置约位于0.71倍的开挖深度处;无内支撑作用段排桩, 其变形规律与悬臂桩变形相似。

4) 完整合理的数值模拟模型可以优化施工开挖阶段基坑监测过程, 为工程节省造价。