试论迈达斯GTS软件在深基坑设计中的应用

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摘要：本文结合工程实例，介绍了迈达斯gts软件在基坑开挖设计中的应用，并与实际监测结果进行对比，验证了该软件在实际工程设计中使用的可行性与可靠性。

关键词：基坑开挖；有限元；迈达斯软件

基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题。进入20世纪以来，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人员必须从新的角度去审视基坑工程这一古老课题，导致许多新的经验、理论或研究方法。有限元法是一种有效的数值分析方法，在岩土工程学科中有着很大的发展前景。它可以解决非线性问题，易于处理非均质材料，各项异性材料，能适应各种复杂的边界条件，还可考虑基坑开挖设计中的空间效应和时间效应。基坑的分步开挖是普遍的施工方法[1-2]。

一 工程概况

拟建工程位于天津市河西区小白楼附近，东起南京路，西至南昌路，南邻合肥道，北至马到场。建筑物分主塔楼和副塔楼及群房三部分。其中主塔楼地面以上60层，高218米，地面以下3层，基础埋深15.3米。粉砂-26.0～-30.5粉质粘土-30.5～-37.0。

二 支护方案

该工程采用地下连续墙与钢支撑的支护方法，分三个阶段进行开挖，第一阶段开挖深度为7.6米，并在2.3米深度设置支撑；第二阶段开挖到14.1米，并在7.6米深度设置第二道支撑；第三阶段开挖到指定深度15.6米，并在14.1米深度设置第三道支撑。

三 模拟结果分析

（1）分步开挖过程模拟

在MIDAS/GTS中，通过荷载步、钝化和激活单元来实现基坑的开挖与支护。首先建立原始地层模型，施加位移约束边界条件，在初始地应力条件下进行迭代计算使计算模型达到初始应力平衡，并使初始位移归零，模拟基坑开挖前土体的固结沉降。然后按照深基坑施工的顺序钝化开挖部分土体，激活上一步开挖土体部分的支撑单元和单元预应力，再钝化下一步开挖部分土体，如此继续，直至结束。

（2）结果分析

基坑开挖过程是基坑开挖面上卸荷的过程，因为卸荷而引起基坑底部土体出现以向上为主的位移，同时也引起围护墙体在两侧土压力差的作用下而产生的墙外侧位移。通过对以上的计算结果分析可以得出基坑开挖过程中支护结构内力及位移的变化过程。因为基坑开挖产生的垂直卸荷作用改变了基底土体原始应力状态，基坑底部土体在卸荷后会出现垂直弹性隆起。基坑周围土体会向下移动，以补充由于坑底隆起而损失的土体，进而引起支护结构的内力及位移发生变化。本文通过MIDAS/GTS软件模拟得到了基坑开挖结束后结构的位移及内力矢量图，由地下连续墙位移可知，当开挖至15.6米时，地下连续墙最大水平位移为61.3mm；而实际监测结果为67.8mm。本程序的模拟计算未考虑墙体加肋情况，而在实际情况中，墙体均进行加肋处理，较之，计算结果偏小，因此，计算结果与实际情况基本吻合。

基坑开挖后，地下连续墙中下部的弯矩最大，主要是由基坑开挖和钢内撑作用力对支护桩的弯矩产生的强烈影响。在钢内撑作用下支护桩出现反弯矩，这样从而避免了某处弯矩过大，应力集中的现象。四 计结果与模拟结果分析比较

该计算基坑工程呈椭圆形，开挖面积较大，开挖周期长，而且施工过程以及地下水问题非常复杂。这些都给模拟工作带来了很大困难。在模拟过程中消防通道开挖阶段模拟结果比较准确，但随着进一步的开挖模拟结果产生了一定的误差，经分析主要存在以下几个方面的问题[3-4]。1）地下水问题。虽然在基坑工程中，地下水主要影响其稳定性，但也对其变形规律有一定影响因为影响机理和计算过程比较复杂，本次初步模拟中尚没有考虑地下水的影响。2）基坑开挖的模拟。具体的施工步骤和顺序复杂，在数值分析过程中难以达到完全准确的模拟这也会对模拟结果造成一定的影响。3）基坑开挖周期长，基坑长期暴露，受到其它方面的影响诸多，不能考虑其可能造成的影响。4）此外，实际地层的模拟、土的本构模型自身的限制以及三维到二维的平面应变简化等其它方面的影响。这些还需要在以后的工作中进行进一步的研究。

通过本文对该基坑工程的分析结果表明，由于基坑工程自身的复杂性（复杂的土的应力路径、开挖过程、三维时空效应、地下水的因素等等），很多因素都是难以在计算中完全考虑的，因此计算结果不可能完全符合。但总体上看，计算结果与实测结果符合，因此数值分析工具可以作为工程设计的辅助手段，结果可以作为设计辅助依据。深基坑开挖与支护工程是一个非常复杂的研究课题，但迄今为止，关于深基坑开挖与支护的分析研究远未达到完善的水平，本文所做的工作也只是其在数值模拟方面进行了一些初步探讨，还有许多问题有待于进一步探索解决。

五 结论

可以看出迈达斯MIDAS/GTS软件在实际工程中的应用是较可行的，能够在施工前预知工程施工过程中以及施工结束后支护结构的内力及位移情况，对实际工程具有一定的指导意义。通过以上多方面的比较分析，可以得出以下几点结论：（1）基坑开挖维护结构采用MIDAS/GTS有限元软件进行变形及内力的预测方法在深基坑的施工应用中是比较准确可行。（2）对实际的施工过程予以模拟，可以推算出施工过程中所产生的预计不到的较大的位移和弯矩；（3）地下连续墙的弯矩主要受基坑开挖和钢内撑作用的影响。

参考文献

[1] 高文华，沈蒲生，基坑开挖中地层移动的影响因素分析[J]，岩石力学与工程学报，2002，21（s），1153一1157.

[2] 娄奕红，俞三溥等，基坑支护结构内力及变形动态分析[J]，岩石力学与工程学报200322（3）462一466.

[3] 张在明，孙保卫，周宏磊.国家大剧院工程中的几个岩土工程问题[J].北京勘察，2003（3）：6-11.

[4] 汉，程丽萍.，深基坑工程[M].北京：机械工业出版社，1999.