案例68：基坑开挖-内支撑支护
本案例为一个采用内支撑支护的基坑开挖项目，如图68-1(a)。开挖深度为15m，开挖宽度为30m。由基坑的几何形状可以看出，该案例无法采用对称分析，必须创建完整的基坑模型。开挖过程通过一系列工况阶段来模拟，内支撑等间距逐步添加，直到达到最终开挖深度，如图68-1(b)。
图68-1 初始状态（a）；最终状态（b）
其中中密和密实砂土采用Mohr-Coulomb材料模型，软黏土采用Tresca材料模型。三种土体的材料参数如图68-2所示。板桩采用“板单元”模拟（若采用排桩，其参数需换成为每延米），内支撑采用“连接件单元”模拟，相关参数如图68-3所示。基于不同的施工方式，内支撑可以施加预应力或不施加预应力。接下来，我们对两种施工方式均进行分析，并对计算结果进行对比。
图68-2 土体参数
图68-3 板桩（板单元）和内支撑（连接件单元）参数
68.1 不施加预应力
我们首先分析内支撑不施加预应力的情况。表68-1中给出了详细施工过程（工况阶段）。前两个工况阶段（工况阶段0和1）分别用于分析初始地应力和施加板桩后的情况。基坑按照每3m进行分步开挖，当前开挖完成后，在下一步开挖之前，首先在当前开挖坑底以上1m处施加一排内支撑。对于当前的分析，并没用对内支撑施加预应力，相应的工况阶段（工况阶段3、5、7、9）仅仅考虑了内支撑的施加，但是内支撑几乎不发生任何变形，因此，从理论上来说，施加内支撑的工况阶段其实可以和后续工况阶段合并，即工况阶段3和4合并，5和6和合并，依次类推。但是，为了更加清楚的表述内支撑不施加预应力的情况，我们采用了单独的工况阶段来模拟内支撑的施加。
表68-1 定义各工况阶段（不施加预应力）
68.2 施加预应力
接下来，我们分析内支撑施加预应力的情况。表68-1中给出了详细施工过程（工况阶段），和前述不施加预应力的情况唯一不同的是，此处在施加预应力的工况阶段（工况阶段3、5、7、9）中对内支撑施加了预应力。
表68-2 定义各工况阶段（施加预应力）
在OptumG2中，若需要对某个连接件施加预应力，则选择需要施加预应力的连接件，并在界面右侧的「性质」面板中将「施加预应力」设置为「是」，如图68-4。施加的预应力可以考虑为如下一种作用力：连接件的轴力等于所施加的预应力。在当前案例中，施加预应力后，内支撑将受压，因此，施加的预应力取负值。
图68-4 在工况阶段7中对最下面一排内支撑施加预应力
68.3 结果
68.3.1 安全系数
在计算结构变形之前，首先对各个工况阶段进行强度折减分析。如图68-5所示，计算结果表明，在整个开挖过程中，安全系数始终保持在1.9以上。需要注意的是，预应力对安全系数的大小并没有影响。
图68-5 不同工况阶段的安全系数
68.3.2 变形
安全系数计算结果表明结构不会破坏后，接下来按照表68-1和68-2中的施工顺序，分别计算两种情况下的结构变形情况。
两种不同情况（不施加预应力和施加预应力）下的结构变形如图68-6所示。
图68-6 开挖完成时内支撑不施加（上图）和施加（下图）预应力情况的结构变形
图68-7中给出了左侧桩和右侧桩桩顶的水平位移。从图中可以看出预应力的影响非常明显：施加预应力后，右侧板桩的位移大幅减小，虽然导致了左侧桩板向坑外移动。
图68-7 板桩桩顶水平位移（向坑内移动为正）
