摘要：有限元法作為一種強(qiáng)有力的數(shù)值計算方法，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于巖土工程問題的分析。土的本構(gòu)模型，模型參數(shù)的確定等難點，影響了有限元法的分析結(jié)果，使模擬分析的結(jié)果與實際的工作狀態(tài)有一定的差距。若模型選擇合適，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與土體參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的影響還是很有意義的。另外，有限元法分析的結(jié)果與實測的變形和受力數(shù)據(jù)相比對，可以驗證有限元法結(jié)果的正確性和合理性，進(jìn)而研究相關(guān)參數(shù)變化的影響范圍和影響程度，改進(jìn)支護(hù)方案或施工工序，促進(jìn)理論分析的完善。
一、根據(jù)實際工程建立模型
工程位于鄭州市107國道改建段9標(biāo)段的公路隧道基坑，長度太長，并且基坑底部不在同一水平面，建立整體模型太大且意義不大。本文計算模型根據(jù)基坑結(jié)構(gòu)的對稱性，取一段進(jìn)行分析。模型整體高31.5m，整體寬110m。土釘為鉆孔注漿釘，在Z向土釘設(shè)置9排，水平和豎向間距為1.0m，直徑為100mm，傾角為10°，長度為10米，土釘主筋Φ=28，土釘布置為網(wǎng)格型；微型鋼管樁長度為7.5m，鋼管采用d50×2.5，直徑為150mm，樁間距1.0m，面層噴射混凝土強(qiáng)度為C20，厚度為80mm，中間掛Φ10@200×200的鋼筋網(wǎng)片?；娱_挖深度為9.6m，放坡開挖，坡度為1：0.25，分二階，第一階高5m，第二階為高4.6m，Y向?qū)挾葹?.6m。坡頂作用15Kpa均布荷載。
二、計算參數(shù)的選用
(1)土釘：土釘長度為10m，土釘?shù)乃胶拓Q直間距都為1.0m。土釘材料按彈性材料考慮，鉆孔直徑100mm，鋼筋直徑28mm，彈性模量E=2×108kN/m2，泊松比=0.3，重量密度=78.5kN/m3，砂漿等級為M20，彈性模量E=2×107kN/m2，泊松比=0.2，重量密度=24kN/m3，按照面積比加權(quán)后土釘參數(shù)取值如下：彈性模量E=2.5×107kN/m2，泊松比=0.204，重量密度=27.14kN/m3；
(2)微型樁：長度7.5m，直徑150mm，微型樁材料按彈性材料考慮，彈性模量E=3.86×107kN/m2，泊松比=0.21，重量密度=30.25kN/m3；
(3)面層：面層厚度為80mm，面層材料按彈性材料考慮，彈性模量E=2.3×107kN/m2，泊松比=0.2，重量密度=25kN/m3；
土體共有8層，根據(jù)工程經(jīng)驗，基坑開挖影響深度為基坑開挖深度的2～4倍，分析采用前6層土體。土體參數(shù)按照勘察報告的土工試驗參數(shù)，充分考慮土層的非均質(zhì)性，各土層的壓縮模量、泊松比、天然重度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)采用勘察報告中提交并在實際支護(hù)設(shè)計中使用的各土層參數(shù)，基坑四周采用井點降水，因此本模型不考慮地下水的影響。
三、施工過程的模擬
整個數(shù)值模擬過程按照全階段施工工序進(jìn)行，具體步驟如下：
?。?）對基坑開挖前的土體進(jìn)行重力作用下的平衡計算，獲得土體的初始應(yīng)力狀態(tài)；
（2）根據(jù)模擬對象具體形態(tài)特征，進(jìn)行放坡開挖。
第1步：開挖至地表下1.5m處，在地表下1.0m處設(shè)置第1排土釘，噴射混凝土面層；第5步：從第2步開挖開始，每步開挖1.0m至地表下5.5m處，在地表下5.0m處設(shè)置第5排土釘，設(shè)置2m寬平臺同時打入微型樁，噴射混凝土面層；第6步：開挖至地表下6.5m處，在地表下6.0m處設(shè)置第6排土釘，噴射混凝土面層；第9步：重復(fù)上述開挖至地表下9.6m處，在地表下9.0m處設(shè)置第9排土釘，噴射混凝土面層。
四、復(fù)合土釘支護(hù)計算結(jié)果分析
1、基坑側(cè)向變形結(jié)果分析
基坑開挖完后（Z軸方向）的水平位移云圖。看出，基坑的最大水平位移在坑底一定深度區(qū)域內(nèi)最大（藍(lán)色部分），越向下（Z軸負(fù)向）水平位移越小。表示基坑各開挖步的深層水平位移（負(fù)值表示向基坑內(nèi)），看出土體的最大位移出現(xiàn)在基坑開挖完畢后坑底一定深度的范圍內(nèi)，從基坑頂面沿深度方向（Z軸負(fù)向），水平位移呈現(xiàn)兩端小，中部大的變化的趨勢，隨著各開挖步的進(jìn)行，土體的水平位移逐漸增大，在坑頂下31.5m處位移等于0。
基坑頂面離開挖面1m處的坡頂水平位移監(jiān)測值與計算值?？梢缘贸觯?/div>
（1）隨著基坑各開挖步的進(jìn)行，沿深度方向（Z軸方向）水平位移呈現(xiàn)兩端小，中部大的趨勢，下部位移的衰減速度較快。在微型樁底部1m即坑底（-13.5m）處達(dá)到最大值，最大值為19.24mm。原因是微型樁復(fù)合土釘支護(hù)中，微型樁、土釘和面層是一個有機(jī)的復(fù)合加固體，土釘、面層和微型樁增加了周圍土體剛度，約束了坑壁土體的變形。微型樁底部以下，是原狀土體，所以水平位移衰減的較快。
?。?）通過坑頂1m處水平位移計算值與監(jiān)測值比對，其變化趨勢相同，但計算值要比監(jiān)測值略大。原因是有限元分析是基于基坑開挖完畢，面層、土釘和微型樁已經(jīng)完全發(fā)揮作用，得到的最終位移，實際工程中的監(jiān)測值是隨著開挖過程中水平位移的變化，土釘和面層還沒有完全發(fā)揮作用的結(jié)果。驗證了用MIDAS/GTS有限元方法模擬基坑開挖的合理性和正確性，同時可以用MIDAS/GTS對微型樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
2、基坑豎向變形結(jié)果分析
基坑開挖完畢后基坑最終豎向位移云圖，各開挖步坑底的隆起變化，各開挖步坑頂?shù)某两底兓？梢钥闯龌娱_挖完畢后土體的沉降在坑頂呈現(xiàn)距基坑開挖面一定距離處出現(xiàn)最大值，距離開挖面的越遠(yuǎn)，基坑的沉降基本趨于穩(wěn)定?？拥椎某两抵饕腔拥穆∑鹱冃危渤尸F(xiàn)距離坑壁一定距離處有最大隆起量，離坑壁越遠(yuǎn)，坑底的隆起基本趨于穩(wěn)定的趨勢。
坑頂1m處豎向位移監(jiān)測值與計算值。看出，基坑的沉降隨著各開挖步的進(jìn)行而逐漸增大。通過以上沉降曲線、計算值與監(jiān)測值可以得出：
（1）基坑在坑頂均布超載作用下，豎向位移呈現(xiàn)隨開挖步開展而增大的趨勢，且隨著距離基坑邊壁越遠(yuǎn)，沉降越大，并最終趨于穩(wěn)定?？禹敵两翟陔x坑壁19m的地方出現(xiàn)最大沉降量，值為11.92mm?？拥茁∑鹱畲笾禐榫嗫幽_30m的地方，最大值為46.35mm。因為面層的變形約束作用，土釘改善周圍土體的剛度，土釘與面層的良好連接，阻擋了坑壁后土體的沉降。
（2）通過對坡頂距開挖面1m的地方進(jìn)行沉降監(jiān)測，計算值與監(jiān)測值的規(guī)律較為一致。因為沉降監(jiān)測是隨著基坑開挖的進(jìn)行而開展的，各支護(hù)部分有的還沒有發(fā)揮作用，有限元模擬是按照開挖后各支護(hù)部分完全發(fā)揮作用而計算的最終豎向位移值。說明了用MIDAS/GTS有限元方法模擬基坑開挖的合理性和正確性。
3、塑性區(qū)分布、剪應(yīng)力分布
微型樁復(fù)合土釘支護(hù)第9步開挖等效塑性應(yīng)變、剪應(yīng)力。隨著基坑分步開挖，開挖土體的卸載作用，改變了原狀土的應(yīng)力狀態(tài)，作用在面層和微型樁上的側(cè)向土壓力作用使支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向變形（沿向基坑內(nèi)）。基坑地面產(chǎn)生向上的隆起，坡腳處產(chǎn)生塑性應(yīng)變集中和剪應(yīng)力集中現(xiàn)象。說明坡腳處的土體處于塑性屈服狀態(tài)，易發(fā)生塑性破壞，所以在施工過程中要加強(qiáng)對基坑中下部的監(jiān)測。
小結(jié)
通過對實際工程的有限元模擬，說明微型樁復(fù)合土釘支護(hù)能夠很好的控制基坑變形，但是土釘?shù)脑O(shè)置較密，土釘?shù)淖畲筝S力與設(shè)計值相比，有很大的富余。應(yīng)該對土釘?shù)拈g距、大小、長度進(jìn)行優(yōu)化。同時計算值與監(jiān)測值結(jié)果表明，MIDAS/GTS對復(fù)合土釘支護(hù)進(jìn)行分析的正確性與合理性，實際工程中要加強(qiáng)對基坑變形的現(xiàn)場監(jiān)測。
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