基于ABAQUS對金飛龍大廈基坑支護的穩(wěn)定性分析

宋 永 忠

(威海建設(shè)集團股份有限公司，山東 威海 264200)

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基于ABAQUS對金飛龍大廈基坑支護的穩(wěn)定性分析

宋 永 忠

(威海建設(shè)集團股份有限公司，山東 威海 264200)

以南京金飛龍汽車貿(mào)易大廈項目基坑工程為研究對象，通過ABAQUS有限元軟件，分析了基坑在鉆孔深拌樁擋墻支護下，開挖過程中的位移及穩(wěn)定性，結(jié)果表明：基坑頂部位移的增加隨著開挖深度呈三個階段變化，基坑開挖結(jié)束時基坑頂部到底部位移逐漸減小。

基坑支護，排樁，ABAQUS，穩(wěn)定性

1 工程概況

南京金飛龍汽車貿(mào)易大廈項目基礎(chǔ)基坑由于基坑開挖面積較大，同時根據(jù)現(xiàn)場的地勘報告，基坑開挖范圍內(nèi)土體主要為新近填土和軟弱土，軟弱土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，軟～流塑狀，土體強度降低，具有流變性和觸變性，土體性質(zhì)極差，因此在基坑開挖過程中基坑邊坡的穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。

2 ABAQUS單元生死功能

基礎(chǔ)工程基坑開挖問題較為復(fù)雜，常規(guī)方法處理起來也很困難，ABAQUS具有強大的接觸面處理功能，能正確的模擬支護結(jié)構(gòu)物與土體之間的相互作用，能處理復(fù)雜的邊界條件和荷載，能對支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，變形和土體位移進行模擬分析。

2.1 單元的移除

ABAQUS有限元軟件可以在某個分析步中對模型進行移除和激活，在移除土體單元前，軟件會自動計算和剩余土體間的接觸力，接觸力會在移除分析步中逐漸減少到0，在移除分析步開始時，移除土體單元不再參與模型計算，但到分析步結(jié)束時，移除單元才不對模型分析產(chǎn)生影響。

2.2 單元的激活

由于ABAQUS在分析步計算過程中不能再對模型進行修改，因此在每一個分析步計算前計算單元就必須存在于模型中，然后在初始分析步將其移除，在其計算分析步再將其激活，軟件提供2種不同的單元激活方式：無應(yīng)變激活和有應(yīng)變激活。

2.3 有限元強度折減法

邊坡穩(wěn)定性評價方法主要有極限平衡法和有限元法，以前的有限元數(shù)值分析計算中不能直接得出邊坡的安全系數(shù)，主要通過邊坡的位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)及其他特征值等來間接評判，而強度折減法可以通過有限元數(shù)值計算直接獲得邊坡的安全系數(shù)，其主要原理為：在邊坡穩(wěn)定性計算過程中，不斷降低邊坡土體的抗剪強度，使邊坡達到極限狀態(tài)，此時邊坡土體抗剪強度折減系數(shù)就等同于邊坡安全系數(shù)。

其主要原理計算公式如下：

Cm=C/Fr

(1)

Ψm=arctan(tanΨ/Fr)

(2)

其中，C，Ψ均為土體實際抗剪強度參數(shù)值；Cm，Ψm均為邊坡土體極限狀態(tài)抗剪強度參數(shù)值。

3 基坑實例分析

論文以南京金飛龍汽車貿(mào)易大廈項目基礎(chǔ)基坑為工點，利用ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析該D—D斷面基坑在鉆孔攪拌樁擋墻支護下開挖基坑的穩(wěn)定性。計算基坑支護模型見圖1。

3.1 模型建立

依據(jù)現(xiàn)場基坑設(shè)計圖紙，建立有限元模型，其網(wǎng)格劃分見圖2。采取平面應(yīng)變單元進行計算。

3.2 模型基本假定及邊界條件

1)基本假定。

a.基坑開挖過程中會降低地下水到坑底以下，因此計算基坑邊坡的穩(wěn)定性時暫不考慮地下水的影響；b.對基坑邊坡土體進行分層計算，但假設(shè)各層土體性質(zhì)均勻且各向同性，土體破壞準則滿足摩爾—庫侖準則；c.基坑邊坡為帶狀結(jié)構(gòu)，縱向尺寸比橫向尺寸大很多，且重點研究基坑在鉆孔深拌樁擋墻支護下開挖基坑的穩(wěn)定性，將邊坡模型簡化為平面應(yīng)變模型。

2)邊界條件。

約束基坑模型初始左、右側(cè)水平位移，模型底部水平和豎向位移；邊坡坡面為自由邊界條件。

3.3 土體計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場地勘及室內(nèi)實驗，基坑計算土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

3.4 計算結(jié)果分析

經(jīng)過ABAQUS設(shè)置生死單元分析步模擬現(xiàn)場施工開挖，計算施工開挖至設(shè)計高程，得出基坑響應(yīng)云圖，對基坑的穩(wěn)定性進行分析。

3.4.1 基坑水平位移圖

經(jīng)過有限元數(shù)值模擬計算，基坑施工完成后土體水平位移如圖3所示。

從圖3可以看出，基坑開挖結(jié)束后，土體最大位移產(chǎn)生在基坑頂部，最大為2.7 cm，且從頂部到基坑底部位移逐漸減小。為了得出開挖過程與土體位移的關(guān)系，選取頂部最右邊點為監(jiān)測點，得出其隨著基坑開挖深度的位移，見圖4。

從圖4可以看出，監(jiān)測點水平位移隨著基坑開挖深度的增加而增加，但呈現(xiàn)出三個階段，當開挖深度小于1 m，位移隨著開挖深度的增加增長緩慢，當開挖深度大于1 m且小于3 m，位移隨著開挖深度近似成正比例變化關(guān)系，當開挖深度大于3 m，位移隨著開挖深度的增加而迅速增加，因此要注意觀察基坑開挖中位移的臨界值。

3.4.2 基坑豎向位移圖

經(jīng)過有限元數(shù)值模擬計算，基坑施工完成后土體豎直位移見圖5。

從圖5可以看出，基坑開挖結(jié)束后，土體最大位移產(chǎn)生在基坑底部，最大為5 cm，主要是基坑開挖的卸荷作用引起。

3.4.3 基坑塑性區(qū)開展圖

經(jīng)過有限元數(shù)值模擬計算，基坑施工完成后土體塑性區(qū)開展圖如圖6所示。

從圖6可以看出，基坑開挖結(jié)束后，在基坑頂部和底部產(chǎn)生局部塑性區(qū)，頂部位移主要是水平位移增加導(dǎo)致，底部位移主要是卸荷產(chǎn)生，但是支護結(jié)構(gòu)還處于彈性階段，說明基坑處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文以南京金飛龍汽車貿(mào)易大廈項目基坑工程為研究對象，基于ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬基坑在鉆孔深拌樁擋墻支護下開挖過程的穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

1)基坑開挖結(jié)束后，土體最大位移產(chǎn)生在基坑頂部，且從基坑頂部到底部位移逐漸減小；

2)基坑開挖結(jié)束后，土體最大位移產(chǎn)生在基坑底部，主要是基坑開挖土體的卸荷作用引起；

3)基坑頂點水平位移隨著基坑開挖深度的增加而增加，但呈現(xiàn)出三個階段，緩慢增長階段、正比例變化關(guān)系、急劇增加階段，因此要注意觀察基坑開挖中位移的臨界值。

On stability analysis of foundation pit support of Jinfeilong Mansion based on ABAQUS

Song Yongzhong

(WeihaiConstructionGroupCo.,Ltd,Weihai264200,China)

With ABAQUS, the finite element software, the paper takes the foundation pit project of Jinfeilong Automobile Trade Mansion in Nanjing as the research object, analyzes the displacement and stability under the drilling deep mixing wall and during the excavation and proves by the result that the top displacement of the foundation pit increases along with the three changes of the excavation depth while the displacement between the top and bottom of the foundation pit reduces gradually in the end of the foundation pit excavation.

foundation pit support, campshed, ABAQUS, stability

1009-6825(2017)07-0064-03

2016-12-14

宋永忠(1973- )，男，工程師

TU463

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