某深基坑支护结构变形分析与数值模拟

某深基坑支护结构变形分析与数值模拟作者：天天论文网日期：2015-12-2410:45:16点击：0摘要：为研究深基坑支护结构变形特性，以新景世纪城基坑工程为例，采用数值模拟手段对该工程变形特性进行了仿真分析，运用现场监测数据验证了数值模型计算的准确性，深入分析了深基坑支护结构变形的影响因素.结果表明：抗剪强度指标越大，基坑位移越小，但不是特别明显；增加灌注桩的桩径、嵌固深度和锚杆长度，可以有效的抑制基坑位移，但是增加到一定程度时，这种抑制基坑变形的效果不但十分有限，还会大大增加成本消耗；锚杆倾角在15°左右时，支护结构变形较小.关键词：深基坑；支护；基坑开挖；结构变形；仿真分析引言随着经济飞速发展，地面建筑物的规模越来越大，进而对基坑工程的要求也不断增加，深基坑支护稳定性问题也日趋复杂[1-3].深基坑工程属临时性工程，其技术复杂性远高于永久性的基础施工，施工或外荷载等因素的扰动所很可能引起支护结构受力过大、位移超限而发生种种意外[4].深基坑开挖研究涉及诸多方面问题，如基坑自身稳定问题、支护结构稳定问题及周围临近建筑物、地下管线稳定问题等[5-16].本文以新景世纪城深基坑支护工程为研究对象，通过建立有限元分析的数学模型，对工程进行动态模拟分析，深入研究影响基坑支护结构应力及变形的因素，以期为相关工程优化支护设计参数提供借鉴.1工程概况拟建场地位于鞍山铁东区，园林路西、新华街南.该拟建商住楼，地上21～34层，地下室2层，楼高100m，采用框剪结构，基础形式为桩-箱基础.该工程地基基础设计等级为甲级，场地复杂程度为乙级.场地土体类型为中软场地土，建筑场地类别为Ⅱ类.场地地貌类型属剥蚀丘陵，地形起伏不大，成缓坡地势，由南向北逐渐倾斜.场地地层由第四系全新统人工堆积层杂填土、第四系全新统冲击层粘性土以及风化混合岩组成.本场地在钻探深度内遇见一层地下水，地下水类型为上层滞水.稳定水位（每个钻孔均见）埋深2.0～3.1m，稳定水位高程为48.65～52.36m，赋存于杂填土和粉质粘土层中.水量不大，随季节变化很大，其主要补给来源为大气降水.本场地在13号钻孔中取水样，根据水质分析试验结果表明，该场地地下水对钢结构有弱腐蚀性，对混泥土和钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性.2新景世纪城基坑工程三维有限元模拟2.1模型的建立为避免模拟的边界效应，选取离计算边缘四周70m、距坑底30m作为边界.按设计要求施加周边建筑附属荷载115kPa，公路车辆荷载按5kN/m2取值.深基坑支护结构包括地下灌注桩和锚索等，建模时采用等刚度法，具体等效成地下连续墙原理如下：设灌注桩中心间距为t，桩直径为D，因此，单根灌注桩可等效成长为D+t的地下连续墙，设等效墙厚度为h，则二者按等刚度原则可等效为131π41264（D+t）h=D，（1）式中，0.8.811hDtD=+.模型侧面采用水平约束，底面为固定约束，顶面为自由约束.土层按地质条件分为4层，材料参数按表1选取，材料模型采用Mohr-Coulomb8节点六面体单元，锚索钢筋采用rebar单元，不考虑桩间土体相互作用，按照刚度等效原理，运用ADINA有限元软件建立数值分析模型，见图1.图1有限元分析模型Fig.1finiteelementmodel本数值模型是在考虑原地应力存在、开挖后应力失效及灌注桩和锚杆应力施加的基础上，设置时间步8个，步长为12，分三层进行数值仿真模拟开挖深基坑.表1土层材料参数Tab.1materialparametersofsoil土层弹性摸量/MPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比密度/(kg·m-3)素填土916110.21760粉土1443170.21850中砂2612340.251650砾石3512370.2519502.2模拟结果与监测数据对比在深基坑周围共设置20个监测点，选取其中4个有代表性的监测点，见图2，采用这4组基坑支护结构变形实测值与数值模拟结果进行对比分析.4个点位监测值与模拟值比较见图3～图5，A点处变形持续增大，点B、点C位移值较小，且达到峰值后位移值又有所减小.由于开挖支护过程中非常重视基坑阳角位置，为防止变形陡增采取及时支护，因此在点C4d时位移达到峰值后又下降，是开挖形成的位移被支护措施及时控制的表现，点B距离点C较近，变形规律相同.点A由于在基坑长边，导致了较大的变形，甚至接近16mm，因此后期加大了该位置的支护强度，控制位移进一步发展（点D变形特点与点A相同，图略）.现场监测变形值与模拟值较为符合，证明该数值模型精度符合要求.3基坑开挖变形因素分析3.1土体抗剪强度指标影响为研究土体抗剪强度指标对支护结构变形的影响，选取在原粘聚力数值上增大0%，10%，30%，50%，选取摩擦角分别为15°、20°、25°、30°，通过数值模拟研究支护结构最大水平位移值变化规律.见图6、图7，随着土体粘聚力的增大，支护结构最大位移逐渐变小，内摩擦角越大，支护结构的最大位移越小.结果表明，抗剪强度指标越大，对于基坑支护结构变形约束效果也就越好，因为土体自身稳定性提高了，但随着抗剪强度指标的增加，对于位移约束效果越发不明显，所以有足够的支护强度是基坑稳定施工的必要条件.图6粘聚力影响Fig.6cohesioneffect图7内摩擦角影响Fig.7internalfrictionangleeffect3.2灌注桩对支护结构的影响通过数值模拟改变模型的桩径、嵌固深度等参数，对应提取基坑支护结构最大位移值，进一步研究灌注桩对支护结构变形的影响规律，具体见图8、图9.分析图8得出，随着嵌固深度的增大，深基坑支护结构的位移越小，但嵌固深度达到6m后，最大位移值影响变小.因此，嵌固深度必须满足设计要求.分析图9得出，深基坑支护结构位移随着桩径的增大而减小，主要是因为桩径的增大提高了支护结构刚度，但过大桩径对于支护结构变形的抑制并不明显.显然，一味增加桩径来减小支护结构变形并不经济.051048121620变形值/mm实测值模拟值05102468变形值/mm实测值模拟值05102468变形值/mm实测值模拟值02060681012最大位移值/mm40粘聚力百分比增量%15203088.599.5最大位移值/mm25内摩擦角/(o)103.3锚杆参数对支护结构的影响通过数值模拟改变模型的锚杆倾角、长度等参数，对应提取基坑支护结构最大位移值，进一步研究锚杆对支护结构变形的影响规律，具体见图10、图11.图10锚杆倾角影响Fig.10inclinationangle图11锚杆长度影响Fig.11influenceoflength分析图10得出，支护结构最大位移随着锚杆倾角的增大而变大，主要是随着倾角的变大，锚杆的水平分力减小的缘故，从图10中可看出，锚杆倾角在10°～25°，约束效果较好.由图11可知，支护结构最大位移随着锚杆长度的增大而减小，主要是锚杆越长，形成的锚固力越大的缘故，但从图11中看出，锚杆长度达到12m后，对支护结构位移控制趋缓.4结论（1）相同深度下越接近于基坑中点，位移变形越大，越接近于基坑阴角变形越小.相同位置不同深度时，支护结构越接近地表变形越大，越接近于坑底变形越小.（2）土体抗剪强度越大，对于基坑支护结构变形约束效果越好，因为土体自身稳定性提高了，但是随着抗剪强度的增加，对支护结构的约束效果越不明显.（3）增加灌注桩的桩径、嵌固深度和锚杆长度，可以有效的抑制基坑位移，但是增加到一定程度时，抑制基坑变形的效果不但有限，还会增加成本.参考文献：[1]张树光,张向东,李永靖.基坑周围地表沉降的人工神经网络预测[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2001,20(6):767-769.ZHANGShuguang,ZHANGXiangdong,LIYongjing.Artificialnervenetworkforecastofgroundsettlementaboutfoundationpit[J].JournalofLiaoningTechnicalUniversity(NaturalScience),2001,20(6):767-769.[2]张彬,张成.沈阳地铁车站深基坑沉降变形特性[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2015,34(2):197-202.ZHANGBin,ZHANGCheng.ExcavationdeformationcalculationofShenyangsubwaystation[J].JournalofLiaoningTechnicalUniversity:NaturalScience,2015,34(2):197-202.[3]张淑坤,张向东,李永靖,等.深水基础组合桩围护体系设计与应急处理技术[J].中国安全生产科学技术,2014(7):130-134.ZHANGShukun,ZHANGXiangdong,LIYongjing,etal.Designandemergencydisposaltechniqueoncompositepileenclosuresystemfordeepwaterfoundation[J].JournalofSafetyScienceandTechnology,2014(7):130-134.[4]王洪德,秦玉宾,崔铁军,等.深基坑围护结构变形远程监测预警系统[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32(1):14-18.WANG,Hongde,QINYubin,CUITeijun,etal.Longdistancemonitoringandearly-warningsystemforsupportstructuredeformationatdeepfoundationpit[J].JournalofLiaoningTechnicalUniversity(NaturalScience),2013,32(1):14-18.[5]朱志华,刘涛,单红仙.土岩结合条件下深基坑支护方式研究[J].岩土力学,2010,32(4):619-623.ZHUZhihua,LIUTao,SHANHongxian.Studyofsupportingtypefordeepfoundationpitinareasofrockandsoil[J].RockandSoilMechanics,2010,32(4):619-623.[6]傅志峰,罗晓辉,李杰,等.基于安全预警分级的基坑安全模糊评价研究[J].岩土力学,2011(12):3693-3700.FUZhifeng,LUOXiaohui,LIJie,etal.Studyoffuzzyevaluationoffoundationpitsafetybasedonclassificationofsafetyearlywarning[J].RockandSoilMechanics,2011(12):3693-3700.[7]刘均红.西安地铁车站深基坑变形规律现场监测与FLAC模拟研究[D].西安:西安科技大学,2010.LIUJunhong.In-situmonitoringandFLACsimulationstudyofdeformationlawsofdeepexcavationinmetrostationinXi’an[D].Xi'an:Xi'anUniversityofScienceandTechnology,2010.[8]陈林靖,余其凤,戴自航.福州某软土地区深基坑开挖对周围建筑物影响的三维有限元分析[J].铁道科学与工程学报,2015(1):79-85.CHENLinjing,YUQifeng,DAIZihang.3DfiniteelementanalysisoftheinfluenceofexcavationinsoftsoilareasinFuzhouonthesurroundingbuildings[J].JournalofRailwayScienceandEngineering,2015(1):79-85.[9]高翠