基于Abaqus基坑支護(hù)數(shù)值模擬

賈曉風(fēng)

摘要：為了準(zhǔn)確評(píng)估基坑開(kāi)挖過(guò)程中的土體變形、受力特性及支護(hù)對(duì)開(kāi)挖基坑的加固影響規(guī)律，利用ABAQUS軟件建立了二維有限元數(shù)值模型，對(duì)基坑開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中的變形和受力進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)比分析了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，模擬計(jì)算所得土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，說(shuō)明所建模型的正確性及該數(shù)值模擬與實(shí)際情況有較高匹配度，研究結(jié)果可為深基坑土方的開(kāi)挖、支護(hù)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有限元模型;數(shù)值模擬;監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);對(duì)比分析

前言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的高速發(fā)展，基坑工程中發(fā)生事故的概率逐漸上升，基坑工程因此越來(lái)越重視[1] 。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于基坑安全穩(wěn)定性計(jì)算方法主要有三種，包括有極限平衡法、土抗力法和有限元法等。極限平衡法運(yùn)用廣泛，其原理相對(duì)較簡(jiǎn)單，但是它無(wú)法分析研究檢測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的位移、應(yīng)變等。土抗力法僅考慮三種極限狀態(tài)下的土壓力，即主動(dòng)、被動(dòng)和靜止土壓力，由于假設(shè)條件為完全彈性、平面滑裂等情況，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)[2] 。有限元法相比于極限平衡法和土壓力法就顯得比較靈活，它不僅可以分析應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)，還可以處理分析區(qū)域的復(fù)雜特征和邊界條件[3-5]。

一?基坑支護(hù)數(shù)值模型建立

1?基本假定

為了突出問(wèn)題本質(zhì)，作如下假設(shè)：（1）假設(shè)模型中巖土體是均勻的、各向同性的彈塑性體，按照平面應(yīng)變單元計(jì)算;（2）假設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)為完全彈性體;（3）因?yàn)椴扇×嘶咏蹬潘胧┖驮O(shè)有止水帷幕，所以在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中不存在滲流的影響，（4）假設(shè)未進(jìn)行開(kāi)挖的土方在自身重力作用下保持固結(jié)狀態(tài)，不關(guān)注土體最初的應(yīng)力情況;（5）假設(shè)施工的過(guò)程中，對(duì)基坑周?chē)馏w的力學(xué)情況未造成影響。

高度為樁長(zhǎng)的2倍以上，本次支護(hù)樁的長(zhǎng)度15.4m，入巖深度為3m，因此模型寬度為100m，深度為100m，基坑形狀為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取基坑的一半建立二維平面模型，巖土體均采用彈塑性模型，塑性模型采用庫(kù)倫摩爾模型，單元類(lèi)型選用平面應(yīng)變模型。

2?樁的幾何模型建立

本次樁的模型采用ABAQUS軟件中的線性梁?jiǎn)卧˙21）模型來(lái)模擬灌注樁的受力，樁模型采用線彈性模型，選擇梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析計(jì)算，建立ABAQUS二維線型模型。

3?工況分類(lèi)

在施工之前，巖土體在自身重力的作用下達(dá)到初始應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)全部巖土體內(nèi)力計(jì)算穩(wěn)定以后，嵌入灌注樁模型，然后進(jìn)行基坑開(kāi)挖，并依次進(jìn)行錨桿支護(hù)措施。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工狀況，可分為以下幾個(gè)步驟：

第一步：初始地應(yīng)力階段，在基坑周?chē)孛嬖黾雍奢d，用來(lái)模擬初始應(yīng)力狀態(tài)。

第二步：創(chuàng)建灌注樁，即梁?jiǎn)卧?，灌注樁于周?chē)鷰r土體接觸類(lèi)型均為摩擦接觸，材料類(lèi)型為C30混凝土。

第三步：（1）開(kāi)挖第一道巖土層，將基坑開(kāi)挖到深度2.7m處，在深度2.2m的地方加設(shè)錨桿支撐。（2）開(kāi)挖第二道巖土層，將基坑開(kāi)挖到深度4.9m處，在深度4.4m的地方加設(shè)錨桿支撐。（3）開(kāi)挖第三道巖土層，將基坑開(kāi)挖到深度7.1m處，在深度6.6m的地方加設(shè)錨桿支撐。（4）開(kāi)挖第四道巖土層，將基坑開(kāi)挖到深度9.3m處，在深度8.8m的地方加設(shè)錨桿支撐。（5）開(kāi)挖第五道巖土層，將基坑開(kāi)道挖深度12.4m處，完成基坑開(kāi)挖。

二?土體數(shù)值模擬結(jié)果分析

1?土體的水平受力及位移分析

采用有限元模擬得到不同工況下的巖土體水平位移云狀態(tài)。隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷增大，被支護(hù)的土體水平位移逐漸遞增，隨著時(shí)間的推移外側(cè)的土體有向基坑內(nèi)水平滑動(dòng)的趨勢(shì);此外，處在基坑外圍的土體水平位移隨著離基坑邊緣的距離增大呈現(xiàn)出非線性遞減小的趨勢(shì)，在基坑邊緣位置，水平位移達(dá)到最大，最大位移為3.3mm，當(dāng)距離基坑邊緣距離為25m時(shí)，其水平位移減小到0.62mm。

2?巖土體的豎向受力及位移分析

隨著巖土體每次的開(kāi)挖，基坑坑底的土體便會(huì)產(chǎn)生隆起，而基坑外側(cè)的巖土體則會(huì)產(chǎn)生沉降，究其原因是隨著基坑巖土體的開(kāi)挖，基坑自重荷載不斷減少，使得基坑內(nèi)側(cè)及坑底的原始應(yīng)力的巖土應(yīng)力分布發(fā)生變化，從而造成基坑巖土體產(chǎn)生向上的位移，即產(chǎn)生基坑隆起。另外，由于基坑內(nèi)側(cè)的巖土體被挖出，基坑外側(cè)的巖土體會(huì)產(chǎn)生向基坑內(nèi)側(cè)的相對(duì)滑動(dòng)，使得外側(cè)的巖土體的豎向位移發(fā)生變化，即外側(cè)巖土體的沉降。

一般在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，兩個(gè)方面的原因很可能會(huì)導(dǎo)致基坑底部的隆起，一是基坑的開(kāi)挖，巖土體移除導(dǎo)致應(yīng)力重分布，繼而致使基坑底層土體向上反彈;二是基坑外側(cè)土體在土壓力作用下，造成支護(hù)樁和基坑外側(cè)的巖土體向基坑內(nèi)傾斜，最終導(dǎo)致土體從基坑底部出現(xiàn)了隆起。實(shí)際土方開(kāi)挖施工中，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工之前，基坑底部的隆起情況會(huì)更加明顯，并且短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)隆起，但是伴隨著錨桿施工完畢，巖土體受到水平和豎向位移的限制隆起量逐漸減小且慢慢趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。

隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷增加，基坑底部的隆起豎向位移先非線性增加最后穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值水平，不再隨開(kāi)挖深度繼續(xù)增大，當(dāng)開(kāi)挖深度為0-13m時(shí)，基坑隆起逐漸增大;之后基坑底部隆起量不再繼續(xù)增加而是趨于穩(wěn)定，其最大隆起量為14.2mm?；油鈧?cè)的豎向沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)距基坑邊緣距離為0-9m時(shí)，基坑外側(cè)沉降量逐漸增大，其最大值為14.1mm;當(dāng)距離大于9m時(shí)，沉降量會(huì)逐漸降低至2.2mm，超過(guò)15m后，基坑豎向沉降量不再繼續(xù)增大，而是維持一定數(shù)值趨于穩(wěn)定。

3?支護(hù)樁施工后的位移

隨著基坑巖土體的開(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的最大值逐漸從樁頂逐漸向下減小，最后穩(wěn)定在基坑開(kāi)挖完成后深度的2/3處的位置，模擬的結(jié)果與實(shí)際的情況比較相符，開(kāi)挖至基坑底部使支護(hù)樁的水平位移隨著深度的變化。基坑開(kāi)挖施工結(jié)束后，支護(hù)樁的頂端水平位移呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，且產(chǎn)生的最大水平位移為3.6mm。

三?結(jié)論

（1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土體最大水平位移出現(xiàn)在基坑側(cè)壁處，隨著距基坑側(cè)壁的距離的增大而逐漸減小，最終減小到零。基坑外側(cè)土體的豎向位移隨距基坑側(cè)壁距離的增大呈現(xiàn)一種拋物線的形狀，土體的最大豎向位移出現(xiàn)在距離基坑側(cè)壁6m的位置處，之后慢慢減小到零。（2）基坑底部的土體在開(kāi)挖完成后會(huì)呈現(xiàn)隆起現(xiàn)象，其基坑底中間位置隆起的最高，向基坑四周呈現(xiàn)拋物線的形式，所以支護(hù)樁位置處巖土體隆起最低。（3）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移隨深度變化為兩邊大中間小的趨勢(shì)，而最大水平位移一般出現(xiàn)在基坑中下部的位置;且基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩和拉應(yīng)力隨深度的變化受錨桿的作用較為明顯，在錨桿位置處基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩和拉應(yīng)力出現(xiàn)突變，這說(shuō)明了設(shè)置錨桿支撐對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力有著明顯的改變。（4）將有限元軟件計(jì)算所得的巖土體的豎向位移和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移的有限元模擬值與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，說(shuō)明所建立的模型正確且該數(shù)值模擬與實(shí)際情況基本吻合，這對(duì)于其他項(xiàng)目的深基坑土方開(kāi)挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力變化等問(wèn)題具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：河北工程大學(xué)）