基于ANSYS的軟土基坑支護工程仿真應用研究

儲學能 陳犇 代建華

由于軟土基坑特殊的區域地質條件、破壞特征的多變性和復雜性,對基坑支護和變形控制帶來諸多的不利因素,目前軟土基坑的支擋結構設計大都仍沿用古典土壓力理論(庫侖、朗金土壓力理論),實踐證明這種設計方法大都偏于保守[2],而且此種設計對土體變形時效無法加以考慮。隨著土方開挖,支護結構體系和外部荷載不斷變化,基于軟土壓縮性較大、抗剪強度低、流變性十分顯著等特點,利用有限元程序模擬整個施工過程,并對支護結構進行計算和分析具有極其重要的意義。

1 數值模擬

1.1 基本原理

基坑剛性支護結構三維有限元數值模擬是根據彈性力學中應力應變及虛功原理[2],應用應力場的疊加原理,將真實的連續結構或介質用有限個僅在節點處鉸接聯系的離散單元的組合體來代替,并使這些單元按變形協調條件聯系,通過建立和求解整體平衡方程得出節點位移,并根據應變、應力與節點位移之間的關系分別得出相應的成果。

1.2 控制方程

本文非線性問題的求解即采用混合法,每級荷載增量作用的迭代均采用完全Newton-Raphson迭代方法[7]。

求解平衡方程:

在每級荷載增量的迭代過程中,為了終止迭代運算,必須確定一個收斂標準。本文取節點不平衡力大小作為收斂判別的標準。即:

其中,αF為力收斂公差,計算中取為 1%。

1.3 數值分析

巖土和用于支護結構的混凝土等材料都屬于顆粒狀材料,此類材料受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度,且材料受剪時,顆粒會膨脹,此處采用彈塑性模型(Druker-Prager模型)可得到較為精確的結果。破壞準則采用Willianm-Warnke破壞準則。

支護結構所用混凝土和巖土單元均采用Solid45單元,由于考慮樁土共同作用,隨著土體開挖,圍護結構受力不斷增大,一般情況下要打開大位移且設置牛頓—拉普森選項為Full N-R。

2 工程應用

2.1 支護結構及巖土參數

采用ANSYS有限元分析方法,針對某基坑剛性支護結構與相關巖土參數進行了支護結構穩定性及變形計算。模擬范圍和計算參數如下:基坑圍護采取鉆孔灌注樁支護結構(見圖1)。基坑開挖坑深6.00 m,基坑尺寸為40 m(短邊)×80 m(長邊),基坑圍護結構采用φ 600@1 000鉆孔灌注樁,樁長為15.00 m,樁頂設置800 mm×500 mm冠梁,混凝土強度等級為C30。計算時考慮施工超載15 kPa。

2.2 有限元計算

在有限元模型中,巖土和圍護結構采用8節點的Solid45實體單元模擬,實體單元采用掃掠(SWEEP)劃分方法將實體劃分為相對規則的六面體單元。因該基坑為規則的對稱形狀,通過ANSYS有限元程序計算,將1/4基坑數值模擬結果進行提取計算分析。

2.3 成果分析

通過軟土基坑數值模擬,得到開挖后基坑長邊方向不同位置處灌注樁樁體的位移值(X為距角點的距離),見圖2;同時得到基坑長邊方向跨中位置灌注樁樁體沿深度方向的彎矩,見圖3。

由圖2可知,隨著距角點距離的增大,樁體水平位移不斷增大,即跨中位移呈現最大值,并且隨著開挖深度的增加,樁體中下部的位移發展很快,開挖終了時,最大的側向位移發生在距樁頂6 m附近;由圖3可知,跨中位移最大處灌注樁的最大彎矩值出現在距樁頂4 m處,之后隨深度的增加彎矩值逐漸減小。

為防止土體被擾動后產生較大變形[3],施工分三步開挖,每次開挖2 m。基坑開挖后,由于基坑外圍土體發生松動,圍護結構產生變形且應力增大,基坑外圍地表產生沉降、位移。

隨著開挖深度的增加,灌注樁受力逐漸增大,開挖結束時,最大應力發生在距樁頂4 m以下;由圖4可知,地表塑性區向后和向深部延伸,同時在坑底也開始出現塑性區,分析其原因為由于軟土的壓縮性較大,基坑開挖后,側向變形受阻而產生了一個更深部的旋轉滑移面和坑底隆起。

2.4 實例驗證

將基坑長邊6根灌注樁水平位移計地表沉降數值模擬成果和施工中實際監測數據進行比較,驗證該數值模擬方法的可靠性。

由數值模擬成果和基坑監測數據對比可看出,基坑模擬數據和施工中的監測結果相差不大,變形趨勢基本一致。

現將長邊跨中位移最大處的灌注樁沿深度方向的水平位移數值模擬成果值與監測數據進行比較,見圖5。

由圖5可以看出,由于軟土的流變特性,樁的最大位移并非發生在樁頂,而是發生在距樁頂3 m以下部分,與實際情況相符,所以三維有限元模擬分析成果和基坑真實情況在整體上相吻合。

3 結語

1)考慮軟土流變性對支護結構數值模擬及合理選擇支護形式具有重要作用;2)采用有限元工具軟件中結構分析功能可以簡便、精確的計算分析圍護結構及土體各部分應力應變及位移等問題,提供能夠比較直觀反映實際情況的云圖,為設計施工等提供理論依據;3)采用適應性較強的有限元法模擬基坑整個施工過程,對灌注樁所受內力作準確計算,可以對其應力、應變關系為工程進行適時支護提供指導。

[1] 陳忠漢,黃書秩,程麗萍.深基坑工程[M].第2版.北京:機械工業出版社,2006:150-158.

[2] 楊光華.深基坑支護結構的實用計算方法及其應用[M].北京:地質出版社,2003:50-53.

[3] JGJ 120-99,建筑基坑支護技術規程[S].

[4] 賴永標,胡仁喜,黃書珍.ANSYS11.0在土木工程中的應用[M].北京:電子工業出版社,2007.

[5] 章根德.土的本構模型及其工程應用[M].北京:科學出版社,1995:120-125.

[6] 張引平.淺談深基坑支護結構設計計算[J].科技情報開發與經濟,2004(5):1-3.

[7] 王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社,2000.