基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有限元分析

齊 毅 男

(廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東 廣州 510010)

基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有限元分析

齊 毅 男

(廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東 廣州 510010)

以云南文化廣場的基坑支護工程為例，采用MSC.Marc有限元軟件對支護結(jié)構(gòu)在支撐結(jié)構(gòu)和土體之間的共同作用下的影響進(jìn)行了模擬，并對樁、支撐和土體采用彈性分析和彈塑性分析，分析結(jié)果表明：內(nèi)支撐系統(tǒng)在土壓力作用下處于彈性狀態(tài)，支撐在與支護樁連接位置的應(yīng)力相對較大；基坑邊線夾角角度越小，所受的應(yīng)力就越集中，所以該處應(yīng)布置較多的監(jiān)測點。

基坑開挖，有限元分析，基坑支護，監(jiān)測點布置

1 工程概況

該實際工程為云南民族文化廣場基坑項目,總面積為10 010.05 m2，該基坑周長350 m,外形不規(guī)則，基坑深度為16.2 m～16.8 m，對撐長度78 m，安全等級為一級。本工程的支撐系統(tǒng)采用內(nèi)支撐體系，支撐分為兩層。

1層地下室的基底埋深約在-4.6 m，2層地下室的基底埋深約在-8.2 m，3層地下室基底埋深約在-11.8 m，4層地下室的基底埋深約在-15.4 m,實際的開挖深度為地面下16.50 m左右。上述實際開挖深度的計算沒有考慮局部坑邊坑(塔樓靠近開挖邊線的位置)及坑中坑(電梯井、積水井)的特殊情況。

2 工程地質(zhì)條件

云南民族文化廣場地下室為3層地下室結(jié)構(gòu)，開挖深度為16.2 m。土層的力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 基坑開挖過程有限元分析

模型采用美國MSC公司開發(fā)的MSC.Marc三維有限元軟件進(jìn)行計算，并使用MSC.Marc的單元“生死”功能來模擬土體開挖和支護體系的施工，以便真實地模擬支撐體系和土體之間的共同作用及各個工況下支護結(jié)構(gòu)所受的影響，“生死“單元分為單元的“殺死”和“激活”兩種狀態(tài)。“殺死”單元是以一個很小的數(shù)與單元的剛度和質(zhì)量相乘，使該單元不發(fā)揮作用。而“激活”單元則是讓之前“殺死”的單元恢復(fù)原有的剛度和質(zhì)量[1]。模型中，支護樁的板單元和土體單元上是附著在一起的，土體因自重發(fā)生沉降的過程中，此時支護樁單元被“殺死”，對土體的沉降不產(chǎn)生影響。當(dāng)完成沉降計算后，再使支護樁單元被“激活”。這樣能夠保證其已有形變的前提下使其內(nèi)力為零，并符合工程中的實際情況。

3.1 材料特性及單元選取

在深基坑工程中內(nèi)支撐一般情況下為彈性狀態(tài)，土體則為彈塑性狀態(tài)[3]。為了提高計算效率，更好模擬土和支護樁的相互作用情況，對支撐和支護樁用彈性分析，而對土層則用彈塑性分析，以Drucker-Prager準(zhǔn)則及相關(guān)的流動法則[4]作為屈服準(zhǔn)則。

內(nèi)支撐體系主要承受軸向壓力，鋼筋受壓性能不予以考慮，所以在有限元模型中沒有對鋼筋模型進(jìn)行建立，對豎向支撐進(jìn)行了等剛度代換。土層參數(shù)根據(jù)勘察報告選取，各材料屬性見表2。

表2 有限元模型材料參數(shù)

該模型采用Solid HEX7#單元，由8個結(jié)點組成的實體單元。該單元每個結(jié)點都有3個自由度，適用于本模型。

本模型高度是基坑深度的2倍，模型的長度與寬度為基坑深度的3倍。 由于壓力引起基坑的變形，因此內(nèi)支撐體系除了承擔(dān)自身重量以外主要以承受軸力為主[5]。

位移邊界條件:是約束剛體位移的邊界條件，在本模型中包括模型底面Z方向位移，模型四周X,Y方向位移。應(yīng)力邊界條件：是提供模型所受的外力，在本模型中主要是土體及支撐體系的自重。

3.2 施工工況

工況1：支護單元被“殺死”，在自重作用下模型沉降，模擬土體固結(jié)；

工況2：支護單元激活，從而冠梁支撐起作用；

工況3：第一層的土體單元被“殺死”；

工況4：第一層的支撐單元被“激活”；

工況5：第二層的土體單元被“殺死”；

工況6：第二層的支撐單元被“激活”；

工況7：基坑開挖至底。

3.3 支撐系統(tǒng)分析結(jié)果

分析結(jié)果表明：在荷載作用下，各工況下的支撐系統(tǒng)均處于彈性狀態(tài)，支撐系統(tǒng)所受的土壓力隨著開挖深度的增加而加大。

1)不同工況下的應(yīng)力分布圖見圖1～圖4。

從圖1～圖4可以得出結(jié)論：

a.從圖1可以看出在自重作用下土體沉降固結(jié)的應(yīng)力分布，土體應(yīng)力隨著深度增加而不斷增大，與土力學(xué)的理論相符。土體的沉降為1 700 mm，基坑底-16.9 m處的應(yīng)力為181 kPa。

b.圖2是第一層土已被開挖，而第一層支撐還未被澆筑時冠梁支撐的應(yīng)力分布圖，應(yīng)力最大處發(fā)生在支護樁和冠梁支撐的連接位置，應(yīng)力值為9.7 MPa，而跨中的應(yīng)力值為0.4 MPa。

c.圖3，圖4為此時第一層和第二層支撐的應(yīng)力分布。可以看出：在第一層支撐與支護樁連接位置處的應(yīng)力比其他位置的要大；而第二層支撐應(yīng)力的分布比第一層支撐的均勻，與X,Y向支撐相比，斜向支撐應(yīng)力大，說明支撐效果較好；同時，在第二層支撐中，基坑陰角處應(yīng)力比陽角處應(yīng)力大，基坑邊線夾角角度越小，應(yīng)力越集中。圖4中箭頭所指處為應(yīng)力最大位置，原因是由于此處位于基坑邊線轉(zhuǎn)角最大處。

2)各工況下位移云圖見圖5～圖7。

從圖5～圖7可以得出結(jié)論：

a.地表沉降主要有兩種典型形狀：第一，由于樁體位移小，墻

外側(cè)與土體之間摩擦力制約土體下沉，支護樁頂位移小，樁后土體沉降呈凹槽形；第二，處于軟土地基時，樁體位移大，樁側(cè)與土體間摩擦力喪失對樁后土體沉降約束，樁底向基坑內(nèi)移動，樁頂位移小或向基坑外移動。計算后，本模型基坑變形是第二種情況，具體位移情況詳見圖5，圖6和表3。

b.土體隆起：基坑坑底向上回彈。當(dāng)開挖深度不大時，坑底的土體會發(fā)生垂直的彈性隆起。當(dāng)圍護墻底下為清孔良好的原狀土或注漿加固土體時，圍護墻隨土體回彈而被抬高。圖7表現(xiàn)出在土體開挖完成后回彈量為33 cm左右。

表3 各剖面支護樁位移 mm

4 結(jié)論及建議

分析最后得出結(jié)論，支撐系統(tǒng)始終處于彈性狀態(tài)，能夠保持正常工作。基坑監(jiān)測項目主要包括地表沉降、地下管線沉降及位移、圍護結(jié)構(gòu)水平位移及測斜、支撐軸力、基坑外地下水位監(jiān)測、坑底隆起、臨近建(構(gòu))筑物沉降、土體壓力的監(jiān)測等。支撐在與支護樁連接位置的應(yīng)力相對較大；基坑邊線夾角角度越小，所受的應(yīng)力就越集中，所以該處應(yīng)布置較多的監(jiān)測點。

[1] 高文華，楊林德，沈蒲生.軟土深基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形時空效應(yīng)的影響因素分析[J].土木工程學(xué)報，2001，34(5)：90-96.

[2] 俞建霖，龔曉南.深基坑工程的空間性狀分析[J].巖土工程學(xué)報，1999，21(1)：21-25.

[3] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].第2版.北京：中國水利水電出版社，1996.

[4] 孟秋英,王鐵宏,陳耀光.對基坑支護結(jié)構(gòu)土壓力問題的探討[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,1998,19(5):52-57.

[5] 婁奕紅，俞三溥，王秉勇.基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形動態(tài)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(3)：462-466.

[6] 高文華，沈蒲生，楊林德.基坑開挖中地層移動的影響因素分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(8)：1153-1157.

Finite element analysis of mechanical properties of retaining structure during foundation pit excavation

Qi Yinan

(EarthquakeEngineeringResearch&TestCenterofGuangzhouUniversity,Guangzhou510010,China)

This paper was based on the foundation pit project of the Yunnan cultural square. The impact of the supporting structure and soil on bracing structure was simulated by using the finite element software MSC.Marc. Elastic analysis was used on the concrete support, bracing pile and vertical bracing, elastoplastic analysis is used on soil. It was found that the inner brace system kept elastic under soil pressure, stress was large on the connection between bracing and the restraint pile, monitoring points should be assigned in smaller angle of foundation pit edge.

pit excavation， finite element analysis， foundation pit retaining， layout of monitoring points

2015-01-14

齊毅男(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)09-0056-02

TU470

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