基于ABAQUS和正交試驗法的基坑支護樁優(yōu)化*

孫海霞， 李冬敏， 孔志鵬

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

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基于ABAQUS和正交試驗法的基坑支護樁優(yōu)化*

孫海霞， 李冬敏， 孔志鵬

(沈陽工業(yè)大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

針對目前深基坑支護樁設(shè)計過于保守的問題，通過正交試驗法，利用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬分析，優(yōu)化內(nèi)支撐排樁支護方案.選擇支護樁樁徑、樁間距和樁長為研究因素，以支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為評價指標，通過正交分析，確定對支護樁穩(wěn)定性影響最大的因素，并得到最優(yōu)的支護方案.結(jié)果表明，對支護樁設(shè)計影響最大的因素是樁徑，其次是樁長，再次是樁間距，基于ABAQUS和正交試驗法的基坑支護樁優(yōu)化方法，可以定量判定支護樁的優(yōu)劣，相比于經(jīng)驗法有了較大的提升.

基坑； 正交試驗法； 正交表； 因素水平； 數(shù)值模擬； 支護方案； 優(yōu)化設(shè)計； 最佳組合

近年來，由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展、城市人口的高速增長以及復雜的周邊局勢，為了解決人口流動和就業(yè)點相對集中給交通和環(huán)境帶來的壓力，滿足環(huán)境和局勢變化的要求，大量修建地下工程成為了一種必然趨勢.伴隨著地下空間的不斷開發(fā)利用，基坑的規(guī)模和開挖難度也越來越大，相應(yīng)的對于基坑安全性的要求也越來越高.同一工程采用不同的設(shè)計方案在安全性和經(jīng)濟性等方面往往有較大差異，因此，如何在工程動工前選定最優(yōu)方案就顯得尤為重要.

1　正交試驗

對于單因素或雙因素試驗，其因素較少，試驗的設(shè)計、實施與分析都相對比較簡單.但在日常實際工作中，常常需要同時考慮三個或三個以上的試驗因素，若進行全面試驗，則試驗的規(guī)模將會很大很復雜，并且往往因為試驗條件的限制而難于實施.正交試驗設(shè)計就是安排多因素試驗、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗設(shè)計方法，利用正交表來安排與分析多因素試驗，在水平比較少的情況下有較高的效率[1-3].該設(shè)計方法是在試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗[4]，通過對這一部分試驗結(jié)果進行分析來了解全面試驗的情況，找出最優(yōu)的水平組合.

2　工程概況及計算模型

2.1工程概況

本文數(shù)值模擬以沈陽某地鐵車站為例，該車站的深基坑長為167.2 m，寬為29.8 m，深為14.5 m.研究范圍內(nèi)土體的計算物理力學參數(shù)指標見表1.

表1　基坑土層的物理力學參數(shù)Tab.1　Physical and mechanical parameters of foundation pit soil

2.2計算模型

幾何模型的尺寸是根據(jù)基坑及其周邊環(huán)境條件共同確定的，基坑開挖引起的地面沉降的影響范圍隨著基坑開挖規(guī)模的增大而增大，一般情況下不會超過開挖深度的5倍，此外，基坑的長寬比越大，基坑長邊外側(cè)的影響范圍也就越大.在進行數(shù)值模擬時，幾何模型的寬度一般取開挖深度的3～4倍，高度取開挖深度的2～3倍，具體情況根據(jù)工程地質(zhì)條件和計算精度來確定.

本文車站深基坑形狀近似為矩形，總長度167.2 m，寬度29.8 m，開挖深度15 m，圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，支撐選用焊接鋼管，共56道，支撐標高分別為-0.5、-6.5、-11.5 m，鋼管直徑609 mm，管壁厚度14 mm.

綜合考慮車站基坑形狀和以往數(shù)值模擬研究經(jīng)驗[5-8]，本文研究僅以標準段為例進行數(shù)值模擬分析.模型標準段開挖深度為15 m，開挖寬度為18.6 m，根據(jù)對稱性取開挖寬度的一半，取標準段基坑中的三根樁及其周邊土體進行建模，模型的總尺寸為45 m×45 m×3.6 m.排樁支護結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示.

圖1　排樁支護結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1　Schematic row piles supporting structure model and grid partition

2.3模型荷載及邊界條件

本文模型中不考慮水壓力，地表沒有附加荷載，土體的自重就是土層壓力，初始應(yīng)力場就是帶有重力梯度的自重應(yīng)力場，如圖2所示.

由于基坑底部為堅硬的穩(wěn)定土層，所以模型底部的邊界條件只需限制Y方向，也就是豎直方向的位移就能夠準確模擬出實際基坑底部的情況.而對于模型左右兩側(cè)的邊界條件，根據(jù)對稱性限制X方向，即水平方向的位移；模型前后兩側(cè)采用的是約束水平方向(即Z方向)的位移[9].基

圖2　初始應(yīng)力平衡Fig.2　Initial stress equilibrium

坑模型自由沉降，作為模擬基坑的應(yīng)力邊界條件，如圖3所示.

圖3　模型邊界條件和土體自重Fig.3　Model boundary conditions and soil weight

3　正交試驗設(shè)計

3.1影響因素

沈陽市地鐵深基坑工程采用的是內(nèi)支撐排樁支護方案.在進行方案設(shè)計的過程中，為了能夠確保支護樁具有足夠的穩(wěn)定性，排樁支護部分的設(shè)計偏于保守.因此，本文從利于節(jié)省材料和盡量減少費用支出的角度考慮，在保證支護結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性的前提下，對排樁支護部分進行優(yōu)化設(shè)計.

影響支護樁穩(wěn)定性的因素很多，本文結(jié)合實際條件，通過對樁徑、樁間距和樁長這三種優(yōu)化因子的各自三種水平進行優(yōu)化，以支護樁的最大水平位移作為指標，選擇出最佳的優(yōu)化組合.各試驗因素及水平如表2所示.

表2　各試驗因素及所取水平Tab.2　Factors and their levels for various tests　m

3.2方案設(shè)計

根據(jù)以上確定的影響因素以及因素水平進行三因素三水平試驗分析，試驗安排見表3.

表3　正交試驗Tab.3　Orthogonal experiments　m

4　計算結(jié)果整理及分析

4.1正交試驗結(jié)果整理

通過利用ABAQUS軟件進行模擬運算，按照正交表的規(guī)定做9次數(shù)值模擬試驗，以支護結(jié)構(gòu)水平位移值作為評價指標，其中，9次模擬試驗對應(yīng)的水平位移值分別為9.30、9.86、9.55、12.67、9.53、12.05、9.67、11.63、11.00 mm，且水平位移值之和為95.26 mm，利用方差法進行分析，具體計算方法見文獻[10]，本文在此不做贅述，計算結(jié)果見表4.

表4　結(jié)果分析Tab.4　Analysis on results

4.2正交試驗結(jié)果分析

從表4可以看出，在內(nèi)支撐排樁支護結(jié)構(gòu)體系中，對支護結(jié)構(gòu)水平位移影響最大的因素是支護樁的直徑，支護樁是承受土體壓力的主要結(jié)構(gòu)，樁徑越大，支護樁所能承受的壓力也就越大，基坑也就越安全、穩(wěn)定，一旦樁徑設(shè)計不合理，使得支護樁在受力過程中產(chǎn)生過大變形甚至被破壞，就會嚴重威脅基坑的安全性.

其次，支護樁樁長的大小也是影響基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移的主要原因.在滿足設(shè)計規(guī)范的前提下，支護樁樁長越大，支護結(jié)構(gòu)水平位移越小，基坑越趨于穩(wěn)定，但當支護樁樁長超過某一長度時，支護樁在基坑體系的作用下，就不會對基坑的穩(wěn)定性有很大的貢獻.

最后，支護樁間距對支護結(jié)構(gòu)水平位移的影響相比于支護樁樁徑和樁長來說比較小.在實際工程中，樁間距也是比較重要的一部分，取值過大就可能發(fā)生土體從樁間擠出，進而導致整個支護結(jié)構(gòu)體系失效；取值過小就不能充分發(fā)揮支護樁的作用，達不到節(jié)約成本的作用.

綜上所述，最終確定支護樁樁徑0.9 m，樁間距1.4 m，樁長23 m為最優(yōu)設(shè)計方法，在使得基坑穩(wěn)定性得到較大提升的同時，也可以在經(jīng)濟上得到節(jié)約.

5　結(jié)　論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 運用正交試驗法對沈陽某地鐵深基坑工程支護結(jié)構(gòu)進行分析，找到了影響支護樁穩(wěn)定性的主要因素及最佳的設(shè)計參數(shù)組合，說明正交試驗可以定量分析某種支護樁參數(shù)的優(yōu)劣，達到優(yōu)化設(shè)計的目的.

2) 根據(jù)分析結(jié)果，在支護樁樁徑、樁間距和樁長三個影響因素中，影響最大的是樁徑，其次是樁長，最后是樁間距.在本例中樁徑0.9 m，樁間距1.4 m，樁長23 m的組合為最佳組合.

3) 由分析可知，樁間距在保持支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用上相比于樁徑和樁長較小，因此在實際工程中，在確?；又ёo安全的前提下，可以適當增大樁間距，從而減少支護樁數(shù)量，達到節(jié)約成本的目的.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Optimization of foundation pit supporting piles based on ABAQUS and orthogonal experimental method

SUN Hai-xia, LI Dong-min, KONG Zhi-peng

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to solve the problem that the design of supporting piles of deep foundation pit is over conservative, the finite element software ABAQUS was used for numerical simulation analysis through the orthogonal experimental method, and the supporting scheme for the internal bracing piles was optimized. The diameter of supporting piles, pile spacing and pile length were selected as the research factors, and the maximum horizontal displacement of supporting structure was taken as the evaluation index. Through the orthogonal analysis, the maximal influencing factor on the stability of supporting piles was determined, and the optimal supporting scheme was obtained. The results show that the maximal influencing factor in the design of supporting piles is the diameter of supporting piles, follows by the pile length, and thirdly is the pile spacing. The optimization method for the supporting piles of foundation pit based on ABAQUS and orthogonal experimental method can quantitatively determine the advantages and disadvantages of supporting piles, and get obviously improved compared with the empirical method.

foundation pit; orthogonal experimental method; orthogonal table; factor level; numerical simulation; supporting scheme; optimization design; optimal combination

2015-10-22.

國家自然科學基金資助項目(51279109)； 遼寧省教育廳基金資助項目(201164119).

孫海霞(1976-)，女，遼寧本溪人，副教授，主要從事巖土與結(jié)構(gòu)的相互作用等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.17

TU 473

A

1000-1646(2016)04-0457-04

*本文已于2016-05-12 14∶01在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.030.html