基于GTS有限元分析技術(shù)的深基坑開挖過程模擬分析

郭樹祥 鄧洪亮 馬麗斌

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

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基于GTS有限元分析技術(shù)的深基坑開挖過程模擬分析

郭樹祥 鄧洪亮 馬麗斌

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

利用Midas/GTS有限元分析軟件，對某工程的基坑開挖過程進行了模擬，分析了其在開挖過程中應(yīng)力及位移的變化規(guī)律，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)作了比較，進而驗證了有限元分析技術(shù)在基坑開挖過程模擬中的可行性與正確性。

深基坑，有限元模型，圍護結(jié)構(gòu)，錨桿

0 引言

Midas/GTS作為一款巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，可以將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土隧道結(jié)構(gòu)的專業(yè)性要求有機地結(jié)合起來，使用者提供了包含最新分析理論的強大的分析功能，是基坑和巖土分析與設(shè)計的最佳解決方案之一[2]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京通州運河核心區(qū)僑商3號基坑位于北京市通州區(qū)永順北街南側(cè)，新華南北路東側(cè)，北側(cè)緊靠京哈高速?；釉O(shè)計開挖深度為12.1 m，東西向長109 m,南北向長89 m,基坑基礎(chǔ)采用筏形基礎(chǔ)，基坑支護方式采用東西北三面護坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿，南面采用坡前樁+噴射混凝土，采取長螺旋鉆機后插鋼筋籠的工藝,開挖方式采用整體土方開挖，基坑安全等級整體按一級考慮。

1.2 水文地質(zhì)條件

施工場區(qū)地形較平坦，地層總體穩(wěn)定，基坑開挖深度范圍內(nèi)主要物理力學(xué)指標如表1所示。

表1 主要土層物理力學(xué)指標

2 有限元模型建立的基本假定

模型采取摩爾—庫侖本構(gòu)，本模型為了計算簡化，方便計算，對建立的三維有限元數(shù)值模型做以下假定：

1)建模時，對支護樁的數(shù)值模擬采用等剛度轉(zhuǎn)換理論[3];2)連續(xù)墻、腰梁、冠梁以及錨桿均處于彈性受力狀態(tài)，土體為理想彈塑性介質(zhì)；3)忽略錨桿自重，錨索類型選用植入式桁架；4)基坑在開挖之前，土體的初始應(yīng)力假定為靜止土壓力；5)模型邊界范圍采用3倍～5倍的基坑尺寸。

3 有限元模型的計算結(jié)果分析

3.1 基坑土體應(yīng)力分析

由圖1可知，基坑在開挖前，水平方向的應(yīng)力基本無明顯變化，在同一土體深度下，土體水平應(yīng)力分布比較均勻；在開挖之后，基坑坑壁外側(cè)土體應(yīng)力在水平方向變化較小，土體最大水平應(yīng)力位于基坑坑壁內(nèi)側(cè)，開挖前后對比可知，開挖之后基坑坑壁兩側(cè)的壓力差發(fā)生明顯變化，基坑外側(cè)土體對基坑側(cè)壁產(chǎn)生了非常大的土壓力，并且沿著坑壁方向，水平方向土壓力符合土力學(xué)中土壓力分布狀態(tài)[4]。

3.2 基坑土體水平位移分析

基坑模型初始階段土體水平位移及各個開挖工況下的土體水平位移變化如圖2所示。

由圖2可知，隨著基坑開挖深度的不斷加深，土體水平位移也不斷增大；在開挖初期，土體水平位移主要集中在基坑內(nèi)側(cè)支護結(jié)構(gòu)頂部附近的土體，隨著基坑開挖深度的不斷加深，土體水平位移最大值開始下移，在開挖完全之后，土體最大水平位移位于樁體2/3H處(H為樁體深度)，基坑短邊最大值約為24.4 mm，長邊最大值約為29.8 mm，坡頂最大位移短邊約為16.8 mm,長邊為21.5 mm,計算所得位移接近于實際監(jiān)測數(shù)據(jù)；土體水平位移長邊明顯大于短邊，且在同一邊土體位移呈現(xiàn)拋物線分布，即中間位移大，兩側(cè)位移小，說明基坑存在明顯的“角部效應(yīng)”[5]。

3.3 基坑土體豎向位移分析

基坑開挖所產(chǎn)生的豎向位移較為常見的是坑體土體隆起以及基坑周邊突起沉降[6]，如圖3所示。

由圖3可知，在設(shè)定初始豎向位移為0時，基坑開挖完成后豎向位移發(fā)生在基坑坑底處，位移方向向上，最大位移約為35.38 mm，且基坑坑底隆起呈“兩邊小，中間大”的趨勢，另外在基坑周邊位置，存在一定的土體沉降，沉降值在35 mm左右，位置在基坑西側(cè)，可能是受到超載原因，與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相比較為吻合，分析基坑坑底隆起與周邊土體的沉降原因為：土體開挖是開挖面原有土體自重荷載消失，繼而引起坑底土體產(chǎn)生回彈效應(yīng)，而隨著圍護結(jié)構(gòu)向開挖面的位移導(dǎo)致臨近坑壁的土體會有一定的下沉。

3.4 圍護結(jié)構(gòu)變形分析

由于本模型將樁錨支護結(jié)構(gòu)簡化為連續(xù)墻進行分析[7]，如圖4所示為短邊方向圍護墻變形情況。

由圖4可知，隨著基坑開挖深度的不斷加大，支護樁的位移不斷增大，基坑開挖完全之后，樁體最大位移出現(xiàn)在基坑1/2h處(h為開挖深度)，與實際監(jiān)測結(jié)果相吻合，長邊最大位移29.71 mm，26.66 mm，且與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)比較接近，另外一方面在基坑開挖到同一深度下，靠近基坑坑壁中間的位移越大，同樣是形成拋物線趨勢的樁體位移，再次驗證了基坑在開挖過程中存在“角部效應(yīng)”。

3.5 錨桿軸力分析

如圖5所示為基坑開挖完全之后的錨桿軸力情況。

由圖5可知，基坑在開挖完全之后，錨桿軸力在自由端分布比較均勻，錨桿作用力以受拉為主，從自由段到錨固段錨桿受到的軸力減小，隨著基坑開挖深度的不斷增加，錨桿軸力也在不斷增大，最終錨桿最大軸力約為332 kN，位于自由段，計算結(jié)果偏大，分析原因可能是由于預(yù)應(yīng)力錨桿在實際工作中出現(xiàn)偏心受壓或錨頭出現(xiàn)損壞等情況，在實際工程中應(yīng)防止該問題的出現(xiàn)。

4 結(jié)語

通過運用Midas/GTS有限元分析軟件對基坑開挖過程模擬，以及計算所得到的結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1)利用Midas/GTS對基坑開挖過程模擬是可行的，對于在有限元模擬過程中的簡化計算與實際情況的差異性有待進一步研究。

2)受樁體與冠梁共同作用下，基坑在開挖過程中土體水平位移出現(xiàn)在約2/3H處(H為樁體深度)。

3)在錨桿與冠梁共同作用下，支護樁在基坑開挖完全后位移最大位置在1/2h處(h為基坑深度)，在同一基坑邊存在明顯的“角部效應(yīng)”。

4)基坑底部隆起在基坑開挖過程中呈現(xiàn)“兩邊小，中間大”的趨勢，在基坑開挖完全后應(yīng)及時做地板處理，防止出現(xiàn)安全事故。

5)預(yù)應(yīng)力錨桿主要以受拉為主，并且從自由段到錨固段受到的軸力逐漸減小，實際工程中，應(yīng)防止錨桿出現(xiàn)偏心受壓或錨頭受損的情況。

[1] 張瑞敏,劉華偉.深基坑支護開挖過程模擬分析[J].低溫建筑技術(shù),2014,36(7):105-107.

[2] 李 治.Midas/GTS在巖土工程中應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2013(8):2413.

[3] 馬 祥.超大深基坑工程支護結(jié)構(gòu)水平位移與支撐軸力分析研究[D].延吉：延邊大學(xué),2014.

[4] 劉國彬,劉金元,徐全慶.基坑開挖引起的土體力學(xué)特性變化的試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2000,19(1):112-116.

[5] 皮崇斌,汪 勇.基于三維有限元法的基坑角部效應(yīng)分析[J].土工基礎(chǔ),2013(4):121-124.

[6] 杜 濤.深基坑底部隆起變形規(guī)律研究綜述[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2013(13)：62-63.

[7] 徐 魏.深基坑支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇研究[D].長春：長春工程學(xué)院,2015.

[8] 李昌永.預(yù)應(yīng)力錨桿支護在地基處理中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,1996(2)：94-95.

The simulation analysis on deep foundation pit excavation process based on GTS finite element analysis technology

Guo Shuxiang Deng Hongliang Ma Libin

(ArchitecturalEngineeringSchool,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

Using the Midas/GTS finite element analysis software, this paper simulated the foundation pit excavation process of a engineering, analyzed the stress and displacement variation law in excavation process, and compared with the field monitoring data, then verified the feasibility and correctness of finite element analysis technology in foundation pit excavation process simulation.

deep foundation pit, finite element model, retaining structure, anchor

1009-6825(2017)15-0064-03

2017-03-19

郭樹祥(1989- )，男,在讀碩士; 鄧洪亮(1963- )，男,博士,教授級高級工程師； 馬麗斌(1990- )，男，在讀碩士

TU463

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