基于ANSYS的軟土基坑支護(hù)工程仿真應(yīng)用研究

丁曉斌　（安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽　蚌埠　233000）

基于ANSYS的軟土基坑支護(hù)工程仿真應(yīng)用研究

丁曉斌（安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽蚌埠233000）

考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場和變形微分方程的可比擬性，根據(jù)控制平衡方程及定解條件，運(yùn)用ANSYS軟件中“生死”單元技術(shù)及網(wǎng)格自適應(yīng)功能，對(duì)具有顯著流變特性的軟土基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及巖土的應(yīng)力和變形進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算成果表明，該方法能夠有效地分析軟土的復(fù)雜性狀及邊界條件、材料的非線性和幾何非線性［2］，可為同類工程設(shè)計(jì)、施工提供參考。

基坑支護(hù)；軟土；仿真應(yīng)用；有限元分析

1　概述

由于軟土基坑特殊的區(qū)域地質(zhì)條件、破壞特征的多變性和復(fù)雜性，對(duì)基坑支護(hù)和變形控制帶來諸多的不利因素，目前軟土基坑的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都仍沿用古典土壓力理論（庫侖、朗金土壓力理論），實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)方法大都偏于保守［2］，而且此種設(shè)計(jì)對(duì)土體變形時(shí)效無法加以考慮。隨著土方開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系和外部荷載不斷變化，基于軟土壓縮性較大、抗剪強(qiáng)度低、流變性十分顯著等特點(diǎn)，利用有限元程序模擬整個(gè)施工過程，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析具有極其重要的意義。

2　數(shù)值模擬

2.1基本原理

基坑剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)值模擬，是根據(jù)彈性力學(xué)中應(yīng)力應(yīng)變及虛功原理［2］，應(yīng)用應(yīng)力場的疊加原理，將真實(shí)的連續(xù)結(jié)構(gòu)或介質(zhì)用有限個(gè)僅在結(jié)點(diǎn)處鉸接聯(lián)系的離散單元的組合體來代替，并使這些單元按變形協(xié)調(diào)條件聯(lián)系，通過建立和求解整體平衡方程得出結(jié)點(diǎn)位移，并根據(jù)應(yīng)變、應(yīng)力與結(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系分別得出相應(yīng)的成果。

2.2數(shù)值分析

巖土和用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土等材料都屬于顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，且材料受剪時(shí)，顆粒會(huì)膨脹，此處采用彈塑性模型（Druker-Prager模型）可得到較為精確的結(jié)果。破壞準(zhǔn)則采用Willianm-Warnke破壞準(zhǔn)則。

支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)受力不斷增大，一般情況下要打開大位移且設(shè)置牛頓-拉普森選項(xiàng)為Full N-R。

3　工程應(yīng)用

3.1支護(hù)結(jié)構(gòu)及巖土參數(shù)

采用ANSYS有限元分析方法，針對(duì)某基坑剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)與相關(guān)巖土參數(shù)進(jìn)行了支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及變形計(jì)算。模擬范圍和計(jì)算參數(shù)如下：基坑圍護(hù)采取鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)（見圖1）。基坑開挖坑深6.00m，基坑尺寸為40m（短邊）×80m（長邊），基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ600@1000鉆孔灌注樁，樁長為15.00m，樁項(xiàng)設(shè)置800mm×500mm冠梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。計(jì)算時(shí)考慮施工超載15kPa，各土層巖土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖1　灌注樁剖面示意圖

巖土物理力學(xué)指標(biāo)　表1

3.2有限元計(jì)算

在有限元模型中，巖土和圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)的SOLID45實(shí)體單元模擬，實(shí)體單元采用掃掠（SWEEP）劃分方法將實(shí)體劃分為相對(duì)規(guī)則的六面體單元。因該基坑為規(guī)則的對(duì)稱形狀，通過ANSYS有限元程序計(jì)算，將1/4基坑數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行提取計(jì)算分析。

3.3成果分析

通過軟土基坑數(shù)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(diǎn)的距離），見圖2；同時(shí)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。

圖2　基坑長邊方向樁體位移

圖3　基坑長邊方向跨中樁體彎矩

由圖2可知，隨著距角點(diǎn)距離的增大，樁體水平位移不斷增大，即跨中位移呈現(xiàn)最大值，并且隨著開挖深度的增加，樁體中下部的位移發(fā)展很快，開挖終了時(shí)，最大的側(cè)向位移發(fā)生在距樁頂6m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(xiàn)在距樁頂4m處，之后隨深度的增加彎矩值逐漸減小。

為防止土體被擾動(dòng)后產(chǎn)生較大變形［3］，施工分三步開挖，每次開挖2m。基坑開挖后，由于基坑外圍土體發(fā)生松動(dòng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形且應(yīng)力增大、基坑外圍地表產(chǎn)生沉降、位移。

圖4　開挖至坑底（6m）的坑壁應(yīng)力等值線圖

圖5　開挖至坑底（6m）的基坑水平位移云圖

由圖4可知，隨著開挖深度的增加，灌注樁受力逐漸增大，開挖結(jié)束時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在距樁頂4m以下；由圖5可知，地表塑性區(qū)向后和向深部延伸，同時(shí)在坑底也開始出現(xiàn)塑性區(qū)，分析其原因由于軟土的壓縮性較大，基坑開挖后，側(cè)向變形受阻，而產(chǎn)生了一個(gè)更深部的旋轉(zhuǎn)滑移面和坑底隆起。

3.4實(shí)例驗(yàn)證

將基坑長邊六根灌注樁水平位移計(jì)地表沉降數(shù)值模擬成果和施工過程中的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證該數(shù)值模擬方法的可靠性，詳見模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比圖。

由圖6所示，數(shù)值模擬成果和基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，基坑模擬數(shù)據(jù)和施工中的監(jiān)測結(jié)果相差不大，變形趨勢基本一致。

現(xiàn)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(shù)值模擬成果值與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，見圖7。

圖6　灌注樁模擬成果值與實(shí)際監(jiān)測成果對(duì)照圖

圖7　長邊方向跨中灌注樁水平位移

由圖7可以看出，由于軟土的流變特性，樁的最大位移并非發(fā)生在樁頂，而是發(fā)生在距樁頂3m以下部分，與實(shí)際情況相符，所以三維有限元模擬分析成果和基坑真實(shí)情況在整體上相吻合。

4　結(jié)語

深基坑支護(hù)及開挖過程的數(shù)值模擬，與傳統(tǒng)的彈性法相比較，可以得出比較符合實(shí)際的模擬結(jié)果，同時(shí)能夠?qū)椥苑o法表達(dá)的基坑整體的變形、土體的位移、應(yīng)力場的變化進(jìn)行模擬分析。計(jì)算分析成果顯示：

①考慮軟土流變性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及合理選擇支護(hù)型式具有重要作用；

②采用有限元工具軟件中結(jié)構(gòu)分析功能可以簡便、精確的計(jì)算分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體各部分應(yīng)力應(yīng)變及位移等問題，提供能夠比較直觀反映實(shí)際情況的云圖，為設(shè)計(jì)施工等提供理論依據(jù)；

③數(shù)值模擬對(duì)于具有復(fù)雜邊界條件、材料的非線性和幾何非線性等情形的基坑剛性支護(hù)樁土共同作用分析計(jì)算尤其適用；

④采用適應(yīng)性較強(qiáng)的有限元法模擬基坑整個(gè)施工過程，對(duì)灌注樁所受內(nèi)力作準(zhǔn)確計(jì)算，可以對(duì)其應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系為工程進(jìn)行適時(shí)支護(hù)提供指導(dǎo)。

［1］陳忠漢，黃書秩，程麗萍.深基坑工程（第二版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］楊光華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，2003.

［3］JGJ120-99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］賴永標(biāo)，胡仁喜，黃書珍.ANSYS11.0在土木工程中的應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［5］章根德.土的本構(gòu)模型及其工程應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1995.

［6］張引平.淺談深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004（4）.

［7］王國強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

TU753.8

B

1007-7359（2016）04-0169-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.067

丁曉斌（1982-），男，安徽蚌埠人，畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，本科，工程師。