基于有限元模擬下拉錨式支護結(jié)構(gòu)分析

崔 浩 張忠強 路 闊

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071000)

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基于有限元模擬下拉錨式支護結(jié)構(gòu)分析

崔 浩 張忠強 路 闊

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071000)

以河北西南地區(qū)某實際工程為背景，利用巖土工程軟件PLAXIS，對拉錨式支護結(jié)構(gòu)進行研究分析，并對降水分步開挖過程作了數(shù)值模擬計算，得出了支護結(jié)構(gòu)剛度對支護結(jié)構(gòu)水平位移的變化影響規(guī)律。

拉錨式支護，水平位移，有限元分析，剛度

0 引言

基坑支護常常以臨時性支護最為常見，但是它應該具有以下要點：

1)保證支護結(jié)構(gòu)本身的安全；

2)保證周圍建筑物的安全和正常使用。

隨著基坑規(guī)模的增大,相比于排樁支護、鋼板樁支護等其他支護結(jié)構(gòu)，拉錨式支護結(jié)構(gòu)在基坑工程設計中經(jīng)濟、改善施工條件、加快施工進度[1]的優(yōu)越性也顯現(xiàn)出來。凡事都有兩面性，隨著經(jīng)濟建設的硬性要求，越來越多的大型工程走進了人們的視野，基坑支護工程作為工程進展的第一步也顯得極為重要，但是近年來深基坑支護工程事故也在隨之發(fā)生，以支護結(jié)構(gòu)水平位移過大的工程問題最為突出。20世紀90年代,東南沿海開放城市，隨著經(jīng)濟的快速騰飛，高樓林立必然要求基坑的安全性能，由于基坑支護選擇的不恰當以及施工過程的共同作用，為一些較大的基坑工程事故埋下了隱患[2]。

目前,人們更加意識到基坑支護的必要性，因此這一狀況有所改善。同時隨著巖土軟件的開發(fā)引入，越來越多的軟件被大家熟知，旨在確保工程的安全系數(shù)，數(shù)值模擬也在逐漸發(fā)揮著它重要的指導性作用。

本文是結(jié)合某西南地區(qū)的實際基坑背景，詳細開展基坑工程變形性狀研究,對基坑開挖可能造成的影響進行合理預測，預測指導施工，最終實現(xiàn)工程安全、耐久、穩(wěn)定的初衷，具有有效的指導意義。

1 數(shù)值模型的建立

為了簡化計算將拉錨支護的地連墻結(jié)構(gòu)簡化為平面二維應變題[3]。

計算模型及計算域網(wǎng)格單元劃分如圖1所示。

2 開挖過程模擬

工程實例計算模擬。基坑寬度30 m,開挖深度12 m,用25 m深的混凝土地下連續(xù)墻，在此，假設連續(xù)墻為彈性體并且其由兩排錨桿支撐。其中上端錨桿長12.8 m,傾斜度為49°;下端錨桿長16.3 m,傾斜度為 50°。施加于開挖區(qū)左側(cè)有兩個均布荷載5 kN/m2，40 kN/m2，距基坑邊6 m，右側(cè)的地面荷載為10 kN/m2;地下水位高程為-3 m。地層分布為:地面以下3 m為①密砂填充層;-3 m～-15 m為②-3均勻粉質(zhì)粘土層;-15 m ～-30m為③砂泥層;-30 m以下為④均勻粉質(zhì)粘土，它延伸至很深的深度。各土層計算參數(shù)及地下連續(xù)墻的計算參數(shù),錨桿計算參數(shù)根據(jù)實驗室土工實驗獲取。

針對施工方案設計,可分為 6 道工序進行計算，根據(jù)工序的先后順序逐步的了解本基坑支護的一個變化過程，具體而且清晰。

具體實施步驟為：地下連續(xù)墻激活地面荷載→開挖至上部3 m→安裝第一層錨桿施加預應力→開挖至地下3 m降水并計算孔隙水壓力→安裝第二層錨桿施加預應力→開挖至地下5 m降水并開挖至地下12 m。

圖2，圖3為第一～六道工序地連墻水平位移圖。

各道工序墻體沿深度方向的水平位移見表1及圖4，地連墻位移變形成弓形分布圖見圖5。

表1 各道工序墻體沿深度方向的水平位移表

3 支護結(jié)構(gòu)墻體剛度的影響因素分析

地連墻墻體的剛度和墻體的水平位移相關，如下式：

其中，d為地連墻的等效厚度。

可以看出支護結(jié)構(gòu)的剛度由彈性模量和尺寸決定，也就是說地連墻的厚度隨著剛度的增大而增大。根據(jù)圖6的分析可知，在分析水平位移的過程中考慮的主要因素就是支護結(jié)構(gòu)厚度

的變化。

在此案例中進行支護結(jié)構(gòu)厚度分別為0.3m,0.4m,0.6m。從整體模擬分析上看,d值越大,分布曲線呈現(xiàn)前傾狀態(tài)，張開角度越來越小，但是隨著墻厚度進一步增大時,墻體位移變化趨勢加大,隨著墻體的厚度逐漸增加，支護結(jié)構(gòu)的水平位移變化遲緩，這說明在實際工程中地下連續(xù)墻取值太小，達不到加固效果，如果取值太大，導致工程浪費，不經(jīng)濟[6]。

圖6為墻體厚度對墻體水平位移影響的折線圖。

4 數(shù)值模擬結(jié)論

1)通過比較模型數(shù)據(jù)可以得知，有效的安裝錨桿對支護結(jié)構(gòu)最大位移的影響比較顯著，不能及時有效的安裝錨桿，錨桿也就不能有效的使用，也就達不到阻止支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移的效果。

2)根據(jù)模型數(shù)據(jù)分析，合理增大墻體的剛度,等效于增大墻本身的厚度，結(jié)合公式以及模擬結(jié)果可知，這種方法可以有效的阻止地連墻產(chǎn)生水平位移,但變化率也存在局限性，變化規(guī)律呈現(xiàn)一個逐漸減小的趨勢，當支護結(jié)構(gòu)厚度達到一定值時,再增加厚度對工程不經(jīng)濟。同時墻體剛度增加到一定的范圍值時,墻體位移曲線由不規(guī)則分布逐步轉(zhuǎn)化為大眾熟悉的相對均勻的線性分布,可以發(fā)現(xiàn)墻體頂部位移出現(xiàn)了一個陡然增大的過程。所以在實際工程中，建議地下連續(xù)墻的厚度根據(jù)本地土體土質(zhì)來設計最適合最經(jīng)濟的連續(xù)墻的厚度。

3)PLAXIS有限元軟件的應用，讓工程界還未展現(xiàn)在眼前的構(gòu)筑物位移變化有了一個相對精確的模擬值，這樣一來，無論在施工工藝方面還是在工程造價方面，都會實現(xiàn)一個理念，那就是物有所值，物盡其用。

4)針對本篇論文，結(jié)合實例，就拉錨式支護結(jié)構(gòu)提出了一些建議，但是知識的探索是無止境的，必然會有好的優(yōu)化方案出現(xiàn)，也是大家共同的期盼。

[1] 龔曉南.地基處理技術發(fā)展與展望[M].北京:知識產(chǎn)權出版社,2004.

[2] 唐業(yè)清,李啟明,崔江余.基坑工程事故分析與處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[3] 荷蘭PLAXIS公司.PLAXIS版本8參考指南[Z].2006:8-44.

[4] 倪紅梅.數(shù)值模擬錨桿參數(shù)對支護結(jié)構(gòu)水平位移的影響[J].煤炭工程,2007(2):88-90.

[5] 賈金青,鄭衛(wèi)鋒,陳國周.預應力柔性支護技術的數(shù)值分析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(21):3978-3982.

[6] 蔡偉銘.解放日報大樓深基坑圍護結(jié)構(gòu)的設計與計算[J].建筑科學,1993(1)：76.

Finite element simulation and analysis of tension anchor supporting structure

Cui Hao Zhang Zhongqiang Lu Kuo

(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071000,China)

Taking actual engineering of southwest region in Hebei province as the background, the paper studies and analyzes the anchor-tensioning support structure by applying geotechnical engineering software PLAXIS, makes numerical simulation calculation for the step-by-step dewatering excavation, and finds out influencing law of support structure rigidity upon horizontal support structure displacement.

anchor-tensioning support, horizontal displacement, finite element analysis, rigidity

1009-6825(2016)28-0078-02

2016-07-23

崔 浩(1992- )，男，在讀碩士； 張忠強(1989- )，男，在讀碩士； 路 闊(1993- )，男，在讀碩士

TU463

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