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《湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第05期

摘要：以實(shí)際基坑支護(hù)工程為背景，利用ANSYS有限元分析軟件，建立一個(gè)符合實(shí)際工程的理想平面應(yīng)變模型，通過殺死土體或激活支護(hù)單元來實(shí)現(xiàn)基坑開挖支護(hù)的連續(xù)施工過程。改變計(jì)算模型中的支護(hù)方式，分析了影響樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。將各工況下基坑結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，證明有限元計(jì)算模型的合理性，可為實(shí)際工程提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：深基坑；樁錨支護(hù)；有限元

0引言

隨著城市的現(xiàn)代化發(fā)展，土地資源越來越緊張，為了充分利用有限的城市空間，出現(xiàn)了大量地下工程。在緊密的建筑群中進(jìn)行地下工程施工時(shí)，不可能有足夠空間進(jìn)行放坡開挖。為保證施工安全和施工方便，對深基坑開挖時(shí)必須要采用有效的支護(hù)措施。在實(shí)際工程中，常采用由人工挖孔樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨桿及防水帷幕等組成的樁（墻）式支護(hù)體系進(jìn)行邊坡支護(hù)。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是由前期設(shè)置在基坑外圍的支護(hù)樁和土層開挖后設(shè)置的預(yù)應(yīng)力錨桿共同組成，借助支護(hù)樁在開挖面以下的插入深度和設(shè)置在開挖面以上的錨桿系統(tǒng)來平衡墻后的水、土壓力以維持邊坡的穩(wěn)定。土層的逐層開挖和錨桿的設(shè)置過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體發(fā)生復(fù)雜的力學(xué)過程，不斷地調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力。本文以實(shí)際工程為背景，對工程進(jìn)行合理簡化，建立平面彈塑性模型，借助ANSYS軟件對模型進(jìn)行非線性計(jì)算，并與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比。根據(jù)各工況下結(jié)構(gòu)的變形和受力情況，分析樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1工程概況

本工程項(xiàng)目為某醫(yī)院門診大樓，結(jié)構(gòu)主體為地上16層，地下一層。建筑所處場地為山坡，在進(jìn)行基坑開挖時(shí)，開挖深度隨現(xiàn)場地形而改變，最大深度在建筑的西南角。門診大樓的南側(cè)為老住院部，東側(cè)臨院內(nèi)公路，西側(cè)為生活區(qū)，北側(cè)距基坑較遠(yuǎn)處為城市主干交通道路。考慮基坑開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，利用平面模型以獲得更好的效果，本文選擇基坑南側(cè)端部進(jìn)行有限元分析。支護(hù)樁采用Φ1000灌注樁，樁間距為2000mm，樁長為14m，樁頂設(shè)500mm×1000mm冠梁，分別在距地面3.5,6.0和8.5m處設(shè)3道錨桿，錨桿長度21m，水平傾角10°。

2計(jì)算模型

2.1本構(gòu)關(guān)系

本文建立平面應(yīng)變模型，忽略邊坡側(cè)向的變形。土體的材料性能非常復(fù)雜，建立模型時(shí)需對土體進(jìn)行合理簡化[3]。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查報(bào)告結(jié)果，將計(jì)算范圍內(nèi)的土體分為4層，各土層按各向同性、均質(zhì)的理想彈塑性材料考慮。模型采用Drucker-Prager（DP準(zhǔn)則）屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則是在Mises準(zhǔn)則基礎(chǔ)上考慮靜水壓力。在實(shí)際工程中，支護(hù)樁和錨桿的設(shè)計(jì)值都是偏安全的，所以實(shí)際達(dá)到的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其屈服應(yīng)力值，通常認(rèn)為基坑開挖過程中支護(hù)樁和錨桿一直處于彈性狀態(tài)。建立模型時(shí)，支護(hù)樁和錨桿按均質(zhì)、各向同性線彈性材料處理，并對支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體間接觸關(guān)系采用共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，假定支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體無相對滑移。

2.2有限元單元類型的確定

本模型中用到了3個(gè)基本單元。土體采用支持DP準(zhǔn)則的8節(jié)點(diǎn)平面單元PLANE82，它是4節(jié)點(diǎn)PLANE42的高階單元，其處理不規(guī)則形狀的網(wǎng)格精度更高；樁采用BEAM3單元，該單元可以有效地模擬土壓力作用下樁身的軸向拉壓和彎矩情況；錨索的模擬采用LINK1單元，其只考慮單軸的拉壓作用。考慮到基坑的開挖及支護(hù)情況比較復(fù)雜，模擬分析時(shí)收斂比較困難，因此不考慮樁土界面的接觸單元，采用共節(jié)點(diǎn)處理。

2.3數(shù)值計(jì)算參數(shù)

根據(jù)場地地質(zhì)勘察報(bào)告，本模型中基坑土體自上而下分別為素填土層、粉質(zhì)黏土層、黏性土砂礫層和石灰?guī)r層4層。工程地質(zhì)情況及主要物理力學(xué)性能指標(biāo)數(shù)值見表1，其中彈性模量E按經(jīng)驗(yàn)公式取土體壓縮模量Es的2~5倍。第一層為素填土，實(shí)際工程中采用土釘墻支護(hù)方式控制土體滑移，建立有限元模型時(shí)將土體黏聚力放大10倍以達(dá)到減少土體滑移的效果。支護(hù)樁混凝土強(qiáng)度為C30，有限元模型中取樁體彈性模量為3.00×1010N/m2，泊松比為0.2。錨索采用2S15.2鋼絞線，由于錨桿的預(yù)應(yīng)力是依據(jù)錨索的彈性變形特性施加的，所以模型中桿截面積按錨索截面積考慮。錨索彈性模量為1.95×1011N/m2，泊松比為0.3，線膨脹系數(shù)=1.2×10-5℃-1，采用等效降溫法對錨桿施加100kN的預(yù)應(yīng)力。本文建立的是平面模型，即選取垂直計(jì)算平面方向單位厚度的邊坡進(jìn)行分析，所以有限元模型中錨桿的剛度按實(shí)際剛度除以其縱向間距考慮。實(shí)際錨桿軸力應(yīng)為計(jì)算得出的軸力乘以錨桿間距。

2.4初始應(yīng)力場問題

土體本身存在自重，在未開挖時(shí)坡體就存在著初始應(yīng)力場，影響著后期土體開挖時(shí)應(yīng)力場的分布，所以不能忽略。在用ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先要確定土體的初始應(yīng)力狀態(tài)，再進(jìn)行土體的加荷或者卸荷。目前還沒有準(zhǔn)確的方式確定土體的初始應(yīng)力場，實(shí)際工程中常利用土體的重力場近似代替土體在初始應(yīng)力狀態(tài)，即在有限元計(jì)算時(shí)考慮重力加速度g。后期考慮位移時(shí)要扣除初始應(yīng)力場作用下初始位移。

2.5非線性有限元計(jì)算方法的確定

本模型求解的是非線性問題，需要考慮土體材料非線性、支護(hù)結(jié)構(gòu)幾何非線性、樁土間狀態(tài)變化非線性。在基坑支護(hù)過程中，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形都被設(shè)計(jì)控制在彈性變形階段，通常忽略幾何非線性。狀態(tài)變化非線性主要是由于土體脫離支護(hù)結(jié)構(gòu)而引起兩者之間作用力消失，或者由于兩者相對滑移可能造成土體的屈服。課題組在求解非線性方程時(shí)采用Newton-Raphson方法，用一系列帶校正的線性近似求解非線性問題，在一定容限范圍內(nèi)，它迫使在每一個(gè)載荷增量的末端達(dá)到平衡收斂，并且每進(jìn)行一次平衡迭代都要修改剛度矩陣，其計(jì)算量較大，但該方法精度較高[7]。

3工程實(shí)例分析

3.1建立模型

有限元計(jì)算模型的7個(gè)工況依次進(jìn)行基坑支護(hù)開挖模擬，通過殺死土體或激活支護(hù)單元來實(shí)現(xiàn)基坑的開挖和支護(hù)的連續(xù)計(jì)算。已有研究成果表明，基坑開挖對基坑開挖深度1~2倍范圍內(nèi)的土體影響顯著，因此有限元模型的范圍為左邊界選取基坑寬度方向的一半，距離基坑壁15m，右邊界至基坑壁后30m，下邊界取基坑底以下20m。忽略模型外土體水平方向的變形和模型以下土體的沉降，對左右邊界施加水平約束并限制模型底部所有自由度，素填土表面考慮10kN/m2的施工荷載。模型網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.5m，采用自由劃分的方式劃分網(wǎng)格。

3.2基坑開挖穩(wěn)定性分析

對基坑不采取任何措施進(jìn)行開挖，將4層土開挖完成后，在基坑底部位置變形量達(dá)到226.3mm，如圖3所示。此時(shí)土體坍塌，基坑已經(jīng)破壞了，不能進(jìn)行施工，需要進(jìn)行基坑支護(hù)。本工程采用支護(hù)樁，并設(shè)置了3道錨桿約束樁的側(cè)向變形。

3.3支護(hù)樁身水平位移分析

基坑開挖的過程是一個(gè)卸載的過程。基坑開挖前，支護(hù)樁兩側(cè)作用荷載平衡；基坑內(nèi)土體的開挖清理使得坑內(nèi)土體對基坑壁和支護(hù)樁的側(cè)向壓力逐漸減小，導(dǎo)致支護(hù)樁同時(shí)承受的主動(dòng)土壓力逐漸增大，支護(hù)樁頂位移逐漸增大。為了突顯錨桿的作用，在只考慮支護(hù)樁未激活錨桿單元時(shí)，對基坑進(jìn)行開挖，得出了支護(hù)樁樁身水平位移。樁身各處位移隨著開挖深度逐漸增大，并且同一開挖深度時(shí)支護(hù)樁樁身位移由樁頂?shù)綐兜走f減。按照實(shí)際施工過程，對支護(hù)樁和錨桿單元進(jìn)行激活，模擬出土體開挖和錨桿的設(shè)置對樁樁身水平位移的影響，在第一層土開挖完成后，未設(shè)置錨桿時(shí)，支護(hù)樁就相當(dāng)于一根懸臂構(gòu)件，樁后土體的作用使樁的變形呈現(xiàn)頂部水平位移最大向下逐漸變小的曲線，即工況一對應(yīng)的曲線。對比圖中工況二與工況一曲線發(fā)現(xiàn)，設(shè)置第一道錨桿后，樁頂水平位移明顯減少，且樁身最大位移不在樁頂，而在開挖面與樁頂之間。這是由于錨桿的設(shè)置相當(dāng)于在樁身施加一個(gè)集中力，有效的限制了樁身的變形。進(jìn)行第二層土體開挖，樁頂位移增大，施加第二道錨桿后，樁頂位移比二層土體開挖結(jié)束時(shí)減小且最大位移對應(yīng)位置比工況二下移，這是2道錨桿共同作用的效果。后面的工況也都呈現(xiàn)挖土?xí)r樁身變形比前一工況增大，加錨桿時(shí)又比前一工況減小的規(guī)律，但最大位移都不在樁頂并且位置向下移動(dòng)，樁身變形呈拋物線形。樁底位移在1mm左右，體現(xiàn)出了樁的嵌固效果，符合樁設(shè)計(jì)要求和實(shí)際工程中樁的變形情況。

3.4支護(hù)樁頂水平位移分析

各工況下基坑南側(cè)樁頂水平位移監(jiān)測值與有限元計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以很容易地發(fā)現(xiàn)，兩者數(shù)據(jù)趨勢一致，水平位移都在開挖時(shí)增大，設(shè)置錨桿時(shí)減小，但計(jì)算值略大于檢測值，這與一些文獻(xiàn)的結(jié)論是一致的。這是由于實(shí)際工程是空間體系，支護(hù)樁之間通過連接構(gòu)件相聯(lián)系，具有更好的整體性，對土體的約束作用比單位寬度的支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)，所以就出現(xiàn)了計(jì)算值大于檢測值的現(xiàn)象。從圖中可以看出工況二時(shí)檢測值和計(jì)算值都出現(xiàn)負(fù)值，錨桿的設(shè)置使支護(hù)樁向土體方向移動(dòng)，并且計(jì)算值小于檢測值，說明數(shù)值模擬中，錨桿對單位寬度支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束比實(shí)際工程錨桿對樁位移約束更接近理想狀態(tài)。

3.5錨桿內(nèi)力分析

錨桿的設(shè)置，有效地限制了支護(hù)樁的變形，確保了基坑壁的穩(wěn)定。設(shè)置錨桿時(shí)，對錨桿施加了預(yù)拉力使桿體發(fā)生彈性變形。在錨具安裝完成后，桿體收縮對支護(hù)樁后土體起到壓縮的效果，可以抵消因?yàn)榛觾?nèi)土體開挖導(dǎo)致樁后土體的變形。模擬實(shí)際施工過程，得出第一道錨桿在各工況下軸力的的變化曲線。錨桿軸力在錨固段較小，靠近錨頭處較大。隨著開挖深度的增加，錨桿的軸力增加。計(jì)算結(jié)果顯示，每增加一道錨桿都會(huì)分擔(dān)前幾道錨桿的受力，很明顯這是錨桿共同作用的結(jié)果。

4結(jié)論與建議

1）本文運(yùn)用ANSYS建立平面應(yīng)變模型，通過對邊坡采取不同的措施，分析基坑的變形情況，論證了采用樁錨支護(hù)的必要性和有效性；

2）通過控制生死單元模擬基坑開挖，得出了各工況下樁身變形和錨桿軸力變化情況，與已有研究結(jié)論相符。對比樁頂水平位移計(jì)算值和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的合理性，對實(shí)際工程分析邊坡的穩(wěn)定性具有指導(dǎo)作用；

3）利用ANSYS進(jìn)行土體的數(shù)值模擬時(shí)，對土層參數(shù)的設(shè)置是根據(jù)現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)并結(jié)合一些經(jīng)驗(yàn)公式確定的，勢必會(huì)影響模擬的精度。建議針對各參數(shù)對結(jié)果的影響進(jìn)行更多的數(shù)值模擬與試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值模型來提高模擬結(jié)果的精確性。

參考文獻(xiàn)：

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4]陳勇華.土體壓縮模量、變形模量和彈性模量的討論[J].城市建設(shè)，2010(16)：135-136

作者：魯楠，楊曉華，曾螢螢 單位：湖南工業(yè)大學(xué)