运用有限元法研究基坑开挖影响规律

【摘 要】文中以沈阳友谊商城基坑为主要研究对象，运用有限元软件ADINA建立分析模型，针对地表沉降，基坑及地铁隧道空间位置、交通荷载等进行了仿真模拟。

【关键词】基坑；地铁隧道；监测；有限元

1.本文研究内容及研究方法

（1）利用大型非线性有限元软件ADINA，针对基坑开挖过程与地铁隧道相互之间作用规律进行三维数值模拟，与现场原位监测相结合对施工进行综合指导；

（2）以有限元分析软件为分析工具，综合考虑各种因素影响下，基坑开挖与地铁隧道相互作用规律。

2.工程概况

沈阳友谊商城，场地位于沈阳市沈河区青年大街与五里河巷交汇处。该建筑物地上约200m，地下5层，框剪结构。该工程重要性等级为一级，场地等级为二级，地基等级为二级，场地较平坦，地貌单元属于浑河高漫滩及古河道，钻孔揭露地层岩性主要为第四系粘性土、砂土及碎石土。

据设计文件所提供的基坑平面图资料，总体呈似正方形，沈阳友谊商城，场地位于沈阳市沈河区青年大街与五里河巷交汇处。该建筑物地上约200m，地下5层，框剪结构。本基坑设计开挖深度为-23.5m，实际开挖深度约-23.5m，挖方总量约428778m3。

本基坑土方分七步开挖至设计标高。第一、二、三～七次主要是配合护坡桩及锚索的施工。

（1）土体相关参数数据

根据工程地质条件及相关室内土体物理特性指标实验，土体分层及相关数据整理如2-1所示。

（2）支护结构模拟

3.1 结果分析

建立分析模型后，在模型上选取监控点，监控点的选取与实际监测中点位一致，便于对比分析。将有限元软件模拟，按照施工步进行划分，对实际监测数据进行提取，提取各阶段监控点监测值，要对应各个施工步，也考虑到便于对比分析。

运用ADINA软件进行仿真模拟，根据工程实际将基坑开挖分为7步。图3.3～3.6为开挖至第四层影响等值线图及云图。

由图3.7可见，数值仿真模拟值与实测地表沉降点观测值大体变形趋势相同。初期基坑开挖中，模拟值略小于实测值，原因在于初期基坑开挖深度较浅，累计沉降量较小较小，而土层施工开挖中，包括桩的施工支护等对地表影响较明显。到第四层开挖阶段，地表沉降变形突然陡增，而此时正是基坑开挖深度接近地铁隧道埋深以及超过地铁隧道埋深阶段。表明临近地铁隧道附近基坑的开挖影响，开挖深度达到地铁隧道埋深时影响最大，该阶段模拟值与实测值基本一致。开挖后期阶段地表沉降值仍增加，但增幅较第四层开挖要小很多，此时模拟值与实测值接近，误差在5%左右，说明地表沉降模拟比较接近实际。

（2）竖向位移分析

依据前述基坑竖向位移值J1～J25位置，取具有代表性的监测点J1为研究对象，对其实测值与模拟值进行对比分析。如图3.8所示，基坑竖向位移观测点J1实测数据，波动比较明显，有时后一步的施工累计位移值竟小于前一步施工的累计位移值，这是由于施工过程中多种扰动的存在导致的。尤其是J1点位于地铁隧道测，并位于基坑开挖阴角处，最先施工位置和运输出入口就在J1点，包括开挖支护时应力释放、再施加的扰动，以及大型载重运输车辆出入的扰动都会对J1点位移变形产生明显影响。但J1点总移累计趋势是向下的，并在第四层到第六层开挖累计位移变化最大，施工末尾位移值趋于稳定，规律接近沉降变形。模拟值与实测值变形趋势相同，但模拟值没有出现后一步施工累计位移值大于前一部累计位移值的情况，因为在模拟中考虑了基坑开挖卸荷以及支护再加载的情况，未考虑运输车辆荷载等其他情况，因此位移曲线波动较小。模拟值与实测值总体累计位移曲线趋势相同，平均误差在4%左右，二者比较接近。

（3）水平位移分析

依据前述基坑水平位移值S1～S25位置，取具有代表性的监测点S1为研究对象，对其实测值与模拟值进行对比分析。如图3.9所示，先期基坑水平位移值模拟值与实测值相差较大，后期二者位移值比较一致。开挖至第四层以后累积位移值陡增，规律同沉降位移值和竖向位移值的分布规律，后期数值模拟结果接近实测值，误差达到1%左右，比较准确。

3.2 本章小结

针对基坑工程特点，利用有限元软件AIDNA建立分析模型。介绍了模型的材料参数取值、破坏准则以及约束条件。采用ADINA自带单元生死功能对基坑施工进行仿真模拟。运用所建立的模型对该项目进行仿真模拟，通过与取具有代表性的观测点A7地表沉降监测值、J1基坑竖向位移监测值、S1基坑水平位移监测值进行对比分析，发现模拟误差分别在5%、4%、1%左右，模拟结果与现场实际监测数据基本吻合，表明仿真模型符合实际，计算精度符合要求。

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作者简介：李帅（1985-），现供职于辽宁省阜新市市政工程设计院。