基于ANSYS有限元的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

崔艷艷，李晶晶，張淼

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南平頂山467000）

基于ANSYS有限元的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

崔艷艷，李晶晶，張淼

（河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南平頂山467000）

錨樁支護(hù)作為一種新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有工期短、支護(hù)能力強(qiáng)、施工方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為深基坑支護(hù)的首選方案。該文以某住宅樓的深基坑支護(hù)為典型案例，運(yùn)用ANSYS有限元軟件建立了錨樁支護(hù)的有限元計(jì)算模型，通過(guò)ANSYS模擬的剪力圖和彎矩圖，對(duì)支護(hù)樁的受力情況作了詳細(xì)介紹，得出了樁彎矩隨基坑開(kāi)挖深度增大而增大，但在基坑開(kāi)挖底部會(huì)發(fā)生彎矩變化的結(jié)論，為指導(dǎo)工程施工，防止基坑坍塌提供了重要的理論支持。最后，通過(guò)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移觀測(cè)數(shù)據(jù)，證明錨樁支護(hù)在深基坑支護(hù)中應(yīng)用成功，為今后類似基坑工程的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

ANSYS；樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)；深基坑支護(hù)；基坑監(jiān)測(cè)

0 前言

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的高層建筑拔地而起，由此產(chǎn)生了大量的深基坑工程，城市施工周邊環(huán)境復(fù)雜，更是增加了深基坑支護(hù)的難度，如何保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，保證基坑工程施工安全，是當(dāng)前工程界的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。支護(hù)結(jié)構(gòu)不僅要能保證基坑邊坡的穩(wěn)定，還要能夠保證周圍環(huán)境的安全。樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是由樁、冠梁、錨桿組成，支護(hù)樁是受力的主要構(gòu)件，錨桿通過(guò)錨桿端部產(chǎn)生拉力和支護(hù)樁一起維護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，共同抵抗土體的受力。

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)已成為一種常用的支護(hù)方法在工程上采用，傳統(tǒng)的樁錨設(shè)計(jì)一般采用等值梁法[2]，但這種設(shè)計(jì)方式一般只能作穩(wěn)定分析，沒(méi)有將土體的變形考慮進(jìn)去，根據(jù)以往的工程實(shí)踐，極限平衡法在土體參數(shù)的選取上過(guò)于保守，造成樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)不符合經(jīng)濟(jì)性。有限元法將支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體變形協(xié)調(diào)，對(duì)樁錨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論有著積極的意義，所以對(duì)于深基坑支護(hù)這樣的工程難題，運(yùn)用有限元處理軟件是解決深基坑支護(hù)的有效方法[3]。本文結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用數(shù)值分析軟件ANSYS建立深基坑模型，對(duì)支護(hù)樁的樁身穩(wěn)定性做了分析，對(duì)指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工有著積極的意義。

1 工程概況

1.1 工程概況

禹州市東區(qū)某小區(qū)3#住宅樓設(shè)置地下室二層，基坑?xùn)|南西三個(gè)部分基坑底部標(biāo)高長(zhǎng)度為34.8m，基坑支護(hù)深度為6.5～10.1m，北部基坑支護(hù)深度為4.7m，原來(lái)的基礎(chǔ)形式為人工挖孔樁基礎(chǔ)，后經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)變更，改為筏板基礎(chǔ)。該工程地下水主要為第四系土中的上層滯水，水量隨季節(jié)變化，對(duì)場(chǎng)地的主要影響不大，各地層均為弱透水層，不用考慮地下水流的影響。根據(jù)勘察報(bào)告，主要地層巖性為：第四系沖積層粉質(zhì)粘土、第四系殘積層粉質(zhì)粘土、第三系強(qiáng)化泥質(zhì)粉砂巖、第三系中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、第三系強(qiáng)風(fēng)化礫巖。

1.2 支護(hù)形式的選擇

基坑支護(hù)形式采用樁錨支護(hù)，安全等級(jí)按一級(jí)基坑支護(hù)考慮。面層采用土釘網(wǎng)噴射混凝土，土釘孔徑130mm，錨筋采用直徑為25mm的HRB335級(jí)鋼筋，噴射混凝土強(qiáng)度為C25，厚度為100mm，網(wǎng)鋼采用Φ6.5@200綁扎。冠梁尺寸為700×1200mm，冠梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。

2 基于ANSYS的樁錨結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程分析

2.1 計(jì)算假定

為簡(jiǎn)化模型，特對(duì)基坑的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，引入以下假定：（1）將基坑支護(hù)問(wèn)題假設(shè)為平面應(yīng)變問(wèn)題；（2）假設(shè)土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)為均勻介質(zhì)、各向同性；（3）假設(shè)土體材料為理想彈性體，在ANSYS中遵守Drucker-Prage準(zhǔn)則；（4）將上部公路擋墻部分簡(jiǎn)化為荷載；（5）錨桿和支護(hù)樁均按照彈性體考慮，錨桿的錨固作用以在錨頭處施加集中力表示；（6）支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體接觸關(guān)系按照共節(jié)點(diǎn)但介質(zhì)不同考慮，不考慮接觸之間的滑移[4]。

為準(zhǔn)確模擬出樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力效果，需要對(duì)整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將擋土墻部位簡(jiǎn)化為荷載，根據(jù)土質(zhì)的不同將土層的受力分為五層，簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化圖

2.2 單元選型及模型參數(shù)的取值

根據(jù)樁錨支護(hù)的特點(diǎn)和有限元計(jì)算方法的基本理論，本文模型選用二維模型，將排樁采用BEAM3單元，基坑的土體采用PLANE42單元，錨桿采用LINK8單元，為保證計(jì)算的速度和結(jié)果的精度，在劃分網(wǎng)格時(shí)，土體網(wǎng)格劃分為四邊形網(wǎng)格，單元網(wǎng)格大小為1個(gè)單位，排樁的網(wǎng)格劃分為0.5個(gè)單位。土體與樁錨材料的模擬參數(shù)取值如表1所示。

表1 土體與支護(hù)材料的參數(shù)取值

2.3 計(jì)算結(jié)果顯示及分析

支護(hù)樁的彎矩圖（圖2）隨著深度的增加逐漸增加，在支護(hù)樁與基坑底部的接觸部位受到的彎矩最大，樁的上半部分符合懸臂梁的彎矩圖，下半部分由于基坑底部土體的作用彎矩發(fā)生變化，符合理論受力情況。說(shuō)明支護(hù)樁的整體剪力圖和彎矩圖符合理論情況，試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果可以作為參考值。

圖2 支護(hù)樁的彎矩圖

支護(hù)樁受到的彎矩整體較大，說(shuō)明支護(hù)樁發(fā)生彎曲破壞的可能性較大，最大彎矩出現(xiàn)部位基本位于隱蔽部位，在施工過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)，在對(duì)支護(hù)樁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一定要保證支護(hù)樁能夠有足夠的抗彎能力。

根據(jù)支護(hù)樁所受的剪力圖（圖3）可以看出，隨著深度的增加支護(hù)樁的剪力逐漸減小，安裝錨桿部位樁的剪力變小，說(shuō)明符合實(shí)際受力的情況。

圖3 支護(hù)樁剪力圖

3 基坑監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方法的確定

在基坑的頂部設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)和沉降觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)基坑的側(cè)壁側(cè)向位移和沉降進(jìn)行觀測(cè)（表2）?；釉陂_(kāi)挖期間和遇到暴雨時(shí)每天觀測(cè)一次，其它時(shí)間每隔2d觀測(cè)一次，當(dāng)?shù)叵率业装迨┕ね戤吅?，如果沒(méi)有明顯的變形，則可以減少觀測(cè)次數(shù)，每周不少于2次；基坑回填后2個(gè)月內(nèi)，每周觀測(cè)一次，監(jiān)測(cè)記錄存檔保存[5]。

表2 監(jiān)測(cè)值控制表

測(cè)點(diǎn)布置：選擇的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)受到的干擾較小，支護(hù)樁上設(shè)立的觀測(cè)點(diǎn)間距為18～20m，對(duì)于建筑物和公路地面的沉降觀測(cè)，應(yīng)在基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)設(shè)置特征點(diǎn)，間距在20～30m之間。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)一月時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示

通過(guò)對(duì)基坑監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線分析，如圖4所示，基坑的支護(hù)基本能夠符合要求，沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)允許值30mm，整個(gè)樁錨結(jié)構(gòu)的支護(hù)位移值均在30mm以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

從支護(hù)樁的水平位移曲線分析可以看出，隨著支護(hù)樁深度的增加，支護(hù)樁的水平位移逐漸減小，在-16m以下的水平位移基本上趨于穩(wěn)定，說(shuō)明在基坑底面以下的水平位移基本上很小，但在開(kāi)挖面以上，隨著深度的增加逐漸增加，位移變形最大處位于最上部，但最大位移在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，說(shuō)明整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保持基坑穩(wěn)定。

4 結(jié)論

樁錨支護(hù)作為一種新的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于其自身的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的重視，本文采用ANSYS有限元軟件建立了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型，對(duì)支護(hù)樁的內(nèi)力和變形做了研究，尤其分析了支護(hù)樁的剪力和彎矩變化情況，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出了支護(hù)樁位移隨深度增加而增加的結(jié)論。根據(jù)樁的彎矩圖設(shè)計(jì)了支護(hù)樁的監(jiān)測(cè)方案，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，基坑的支護(hù)效果能夠滿足設(shè)計(jì)要求，可以保證施工過(guò)程中的安全，驗(yàn)證了數(shù)值分析的合理性，為ANSYS軟件在錨樁支護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用積累了工程經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算模型的簡(jiǎn)化勢(shì)必會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，這在今后的邊坡工程模擬中還需要改進(jìn)。

[1]綦春明.深基坑水平閉合擋土拱圈支護(hù)的研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2000.

[2]王立軍.深基坑樁錨支護(hù)優(yōu)化研究及數(shù)值模擬[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[3]付懷，龍麗娜，李敏.基于ANSYS有限元的樁錨聯(lián)合支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013（S2）：621-627.

[4]張浩.空間結(jié)構(gòu)曲面造型算法及程序?qū)崿F(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[5]曹維.成都市百揚(yáng)大廈深基坑支護(hù)數(shù)值模擬研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

新聞快讀

重慶加固事業(yè)緊追時(shí)代脈搏——重慶市建筑業(yè)協(xié)會(huì)加固分會(huì)舉行授牌儀式

重慶作為新興直轄市，經(jīng)歷了城市建設(shè)的高速發(fā)展階段，建設(shè)行業(yè)都卯足了干勁，為建設(shè)美好家園奉獻(xiàn)自己的力量。重慶市加固業(yè)界在城市建設(shè)中肩負(fù)著特殊的歷史使命，以技術(shù)為武器，用質(zhì)量作保障，為城市的穩(wěn)定和發(fā)展發(fā)揮著積極的作用。他們積極順應(yīng)時(shí)代的需要，大家抱團(tuán)發(fā)展，共同探討新興技術(shù)，加強(qiáng)同業(yè)協(xié)作，于2016年成立了重慶市建筑業(yè)協(xié)會(huì)加固分會(huì)（下稱“加固分會(huì)”）。加固分會(huì)在重慶市建筑業(yè)協(xié)會(huì)的指導(dǎo)下，積極推動(dòng)行業(yè)健康發(fā)展，為城市和諧發(fā)展貢獻(xiàn)著自己的力量。

日前，重慶市加固分會(huì)為會(huì)員單位舉行了隆重的授牌儀式。

建設(shè)部著名結(jié)構(gòu)專家林文修先生到會(huì)祝賀。他在發(fā)言中把加固事業(yè)稱為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。他說(shuō)，中國(guó)正經(jīng)歷轟轟烈烈的城市新建運(yùn)動(dòng)，而城市建設(shè)中，既有建筑的更新、改造和加固卻從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)前進(jìn)的腳步。大量新老建筑并存的時(shí)代，加固事業(yè)必將成為我們建設(shè)行業(yè)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。我們的事業(yè)前程是光明。

重慶市建筑業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)祁仁俊先生代表總會(huì)到會(huì)表示祝賀，對(duì)加固分會(huì)所作的工作給予了高度肯定，并對(duì)分會(huì)的運(yùn)行寄予了殷切的希望。

加固分會(huì)會(huì)長(zhǎng)熊啟東博士對(duì)加固分會(huì)2016年的工作進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)2017年的工作進(jìn)行了部署。他說(shuō)，2016年成立加固分會(huì)有了一個(gè)好的開(kāi)端。2017年加固分會(huì)將堅(jiān)持服務(wù)為宗旨，加強(qiáng)行業(yè)自律，發(fā)揮橋梁紐帶作用，擴(kuò)大影響力，助推重慶市建筑加固業(yè)健康發(fā)展。

圖為重慶市建筑業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)祁仁俊為會(huì)長(zhǎng)單位重慶市建筑科學(xué)研究院授牌。

熊博士在工作報(bào)告中提出了2017年工作思路。首先，加固分會(huì)將借助本土科技平臺(tái)，與《重慶建筑》雜志合力推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，幫助重慶的加固企業(yè)建立自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力。第二，搭建起企業(yè)交流平臺(tái)，采取走出去，請(qǐng)進(jìn)來(lái)的辦法，拓展企業(yè)工作視野，打造優(yōu)質(zhì)企業(yè)。第三，分會(huì)還將致力于規(guī)范市場(chǎng)，搞好行業(yè)自律，協(xié)同發(fā)展，創(chuàng)造和諧共贏的局面。第四，發(fā)揮政府與企業(yè)之間的橋梁作用，也是加固分會(huì)的核心工作之一。最后，熊博士指出，要加強(qiáng)組織機(jī)構(gòu)建設(shè)，壯大分會(huì)隊(duì)伍，幫助重慶的企業(yè)不僅可以稱雄本土，還有力量走出重慶，創(chuàng)造更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（本刊記者官正梅）

Application of Anchor Pile Support Structure Based on ANSYS Finite Element

As a new type of retaining structure,anchor pile support,with many advantages like short construction period,strong supporting ability and convenient construction,has been the first choice for deep foundation pit support.This paper takes the deep foundation pit support of a residential building as a case study,establishes the finite element calculation model for anchor pile support with the finite element software ANSYS,and describes the stress situation of the support pile based on the shear diagram and bending moment diagram simulated with ANSYS.It is concluded that bending moment increases with the deepening of foundation pit excavation and varies at the excavation bottom of foundation pit,which provides important theoretical support for construction guidance and foundation pit collapse prevention.In the last part,the data of displacement inspection on support structure proves the successful application of anchor pile support to deep foundation pit support and can offer some reference for similar programs.

ANSYS;anchor pile supporting;deep foundation pit;monitoring

TU473.1

A

1671-9107（2017）04-0044-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.044

2017-03-03

崔艷艷(1982-)，女，河南魯山人，碩士，講師，主要從事建筑工程技術(shù)專業(yè)的教學(xué)與研究工作。