深基坑圍護(hù)有限元模擬分析

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1、深基坑圍護(hù)有限元模擬分析張寧寧（上海三盛房地產(chǎn)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海，200060）【摘要】采用了PLAXIS有限元計(jì)算分析軟件，建立了基坑圍護(hù)體系的計(jì)算模型，并以上海某具體項(xiàng)目為分析對(duì)象，對(duì)基坑開挖的過程進(jìn)行了數(shù)值化模擬，分析了支撐的剛度、土體的彈性模量等因素對(duì)基坑變形的影響，對(duì)軟土地區(qū)基坑工程設(shè)計(jì)和施工有較好的意義?！娟P(guān)鍵詞】深基坑工程；有限元分析刖S隨著城市地下空間的開發(fā)，地下空間利用加大，基坑周邊環(huán)境的保護(hù)要求也越來越高，而深基坑開挖和支護(hù)是一個(gè)綜合性的巖土工程難題，涉及了土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)中強(qiáng)度、變形等眾多問題，乂涉及到了土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用的問題

2、[l]o由于基坑開挖施工時(shí)，難以對(duì)圍護(hù)體系進(jìn)行研究和分析，而有限單元數(shù)值模擬法可以較為方便的確定各設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系，對(duì)基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)和施工有較好指導(dǎo)意義。木文以上海地區(qū)基坑項(xiàng)目為研究對(duì)象，運(yùn)用大型PLAXIS有限元分析軟件，對(duì)深基坑圍護(hù)體系在開挖過程中進(jìn)行了較為全面的有限元分析，分析了關(guān)鍵因素的影響，對(duì)提高大型基坑工程設(shè)計(jì)和施工的精度有較大的幫助。1.工程實(shí)例1.1工程概況上海嘉定新城某基坑面積約為20000m2,總延長約為600m,基坑開挖深度約9.0m,基坑周邊有重要市政道路和管線存在，故對(duì)該基坑變形有較為嚴(yán)格的要求。1.2工程地質(zhì)條件根據(jù)木工程的巖土工程勘察報(bào)告

3、，擬建場地區(qū)域內(nèi)土層有括第①1層素填土、②3層粉砂、④層淤泥質(zhì)粘土、⑤1層粘土。土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。1.3基坑圍護(hù)方案1）擋土體系在挖深9.0m區(qū)域內(nèi)，采用Φ800@1000鉆孔灌注樁進(jìn)行擋土，樁端入基底深度為19.0m,設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30o表1土層主要物理力學(xué)參數(shù)表2）隔水體系采用Φ700@1000雙軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕，樁端入基底以下約8rrio3）內(nèi)支撐體系內(nèi)支撐采用C35鋼筋混凝土，截面參數(shù)見表2。表2環(huán)梁支撐截面參數(shù)表2?計(jì)算模式基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，幾何尺寸、受力情況、變形結(jié)果均非常復(fù)雜，故在實(shí)際分析吋，可

4、以將圍護(hù)樁和支撐結(jié)構(gòu)體系考慮二者共同作用后分別進(jìn)行計(jì)算。圍護(hù)樁取沿基坑每延米長度作為計(jì)算的單元，其承受的土壓力可以采用與樁間距的關(guān)系來進(jìn)行分析。由此，根據(jù)豎向有限元計(jì)算，得出支撐對(duì)圍護(hù)樁的反力作用，支撐體系則由圍標(biāo)、內(nèi)支撐和立柱等組成一個(gè)空間封閉框架體系，其外荷載則就是作用在圈梁上的支撐反力，其變形由兩部分組成⑵：（1）基坑支撐體系在水平平面上剛性位移，該位移通過協(xié)調(diào)，將不平衡力系調(diào)整為平衡力系。（2）基坑內(nèi)的支撐的變形，該部分變形計(jì)算時(shí)為彈塑性變形，為設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的形變。2.1PLAXIS計(jì)算模型建立運(yùn)用PLAXIS軟件對(duì)圍護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值模擬分析，由于基坑大

5、部分均可類似為矩形和圓形分析，本工程可以參照矩形分析，根據(jù)本工程平面的對(duì)稱性，可以按照平面應(yīng)變問題計(jì)算。在計(jì)算時(shí)，計(jì)算的寬度取80m,計(jì)算的高度取40mo對(duì)位移邊界條件也進(jìn)行假設(shè)：在整個(gè)對(duì)象模型中，模型的左右兩邊認(rèn)為還有約束存在，變形為零；但在豎直方向，則允許產(chǎn)生一定的形變，下邊界則認(rèn)為有固定約束，形變?yōu)榱恪?.2土的本構(gòu)關(guān)系的選取土是一種較為復(fù)雜的研究對(duì)象，不同于金屬和巖石等物體，其在受力吋，發(fā)生的彈塑性變形較為特殊。根據(jù)土力學(xué)相關(guān)理論，土體的本構(gòu)模型眾多，在實(shí)際工程中，采用理想的摩爾■庫倫模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系較多，本文也采用此種關(guān)系。該模型屈服準(zhǔn)則表示如下

6、［3］：圖4最大垂直位移圖由PLAXIS數(shù)值計(jì)算可得各工況下的計(jì)算結(jié)果(如表3)：(1)由上表可知：第二道采用了鋼筋混凝土支撐后，由于下部約束，對(duì)與豎向灌注樁構(gòu)件，可以明顯減小鉆孔灌注樁的水平位移，同吋，將減少鉆孔灌注樁的彎矩、軸力和剪力。(2)計(jì)算結(jié)果表明，鉆孔灌注樁圍護(hù)體的的水平位移的最大值出現(xiàn)在基坑開挖面的附近，近開挖面底部。(3)由于基坑開挖過程中，基坑內(nèi)卸土，坑底土體上部約束消除，將產(chǎn)生坑底的隆起現(xiàn)象，土體隆起的位置主要靠近基坑周邊。(4)坑外地表將出現(xiàn)沉降，沉降的大小與基坑的開挖深度成正比，同時(shí)，當(dāng)基坑深度增加時(shí)，基坑外側(cè)的最大沉降位置也距離基坑邊也

7、越來越遠(yuǎn)，說明其影響范圍也越來越大。3.1對(duì)基坑變形影響的重要因素在基坑的施工過程中，由于現(xiàn)場的土層情況、施工情況、設(shè)計(jì)情況以及天氣等原因，基坑變形受到較多因素的影響［4-5］o本文根據(jù)筆者在工程實(shí)踐中總結(jié)的對(duì)基坑變形影響較大的幾種因素分析:(1)支撐的影響支撐影響中，在支撐位置一定是，主要研究支撐的剛度的不同對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析，以及對(duì)基坑變形、內(nèi)力分析的影響。本文在分析是，對(duì)剛度分別取2A、A、0.5A時(shí)三種情況的分析(A為支撐的剛度，當(dāng)為混凝土支撐時(shí)，A為EI),在剛度發(fā)生變化，而其它參數(shù)保持不變吋，計(jì)算結(jié)果參見下圖圖5。由圖5(a)中可以看岀，隨著支撐剛

8、度從0.5A逐步增加到A