Adina在基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

陳千

摘 要：開挖后的基坑，樁后土體有向坑內(nèi)移動的趨勢，對基坑本身以及周圍建筑物將產(chǎn)生不利影響，因此選擇合適的支護方案是確保工程安全順利進行的關(guān)鍵。本文以某深基坑工程實例為基礎(chǔ)，采用單排鉆孔灌注樁加冠梁、錨桿支護形式，通過現(xiàn)場原位測試獲得土體的各項物理力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用 Adina 大型有限元分析軟件對該工程的基坑開挖過程進行模擬分析，說明在不同情況下隨著基坑開挖深度的變化支護結(jié)構(gòu)的變形情況。

關(guān)鍵詞：巖土工程;Adina 軟件;深基坑;支護結(jié)構(gòu);水平位移

深基坑支護屬臨時性工程，是綜合性的巖土工程難題，其技術(shù)復(fù)雜性遠甚于永久性的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或上部結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合工程實例，應(yīng)用 Adina 軟件良好的非線性分析功能對基坑開挖過程進行模擬分析，并對變形位移進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，從而說明利用 Adina大型有限元分析軟件模擬的可行性與可靠性。同時結(jié)合檢測與模擬結(jié)果分析不同支護參數(shù)對支護結(jié)構(gòu)變形的影響。

一、工程概況

1.工程地質(zhì)情況。該基坑施工區(qū)間內(nèi)地勢平坦，周圍無高層建筑物，安全等級二級，地下水位較高，無特殊地質(zhì)構(gòu)造，土層以及地下水分布情況如下：

（1）雜填土：由碎石、爐灰渣、砂土、粘性土等組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚 0. 6 ～1. 2m;（2）粉質(zhì)粘土：局部地段上部為細砂，呈松散狀態(tài)，層底埋深 1. 5 ～3. 3m;（3）中砂：黃褐色，局部地段上部為細砂，3m 左右以上呈松散狀態(tài)，3m 以下呈稍密狀態(tài)，層底埋深3. 7 ～4. 2m;（4）粗砂：黃褐色，含少量卵礫石，一般呈松散狀態(tài)，4m 以下呈中密狀態(tài)，層底埋深 4. 8 ～5. 5m;（5）礫砂：黃褐色，卵礫石含量 30% ～ 40%，稍濕，一般呈密實狀態(tài)，層底埋深 6. 1 ～7. 5m;（6）圓礫：黃褐色，卵礫石含量 60% ～80% 左右，以粗砂充填，一般呈密實狀態(tài)，層底埋深8. 2 ～14. 5m;（7）頁巖：底層埋深 16. 5 ～50m;（8）施工場地地下水位埋深 9. 5 ～9. 6m。

2.支護方案。根據(jù)工程情況以及水文地質(zhì)條件采用單排鉆孔灌注樁加冠梁、錨桿支護方式。按設(shè)計要求樁長 l =13m，樁徑 d = 0. 8m，支護樁中心距為 1. 4m，樁身混凝土等級為 C20，采用三層錨桿，錨桿選用 2Φ28 鋼筋，間距 1. 1m，角度為 30°，樁深入基坑開挖面以下2m，樁身縱向主筋采用 12Φ22 鋼筋，箍筋采用 Φ10@200。樁頂設(shè) 0. 8m × 1m 的圈梁，混凝土強度等級C25;樁頂坡面及樁間土噴射強度等級為 C20，厚度為300mm 的混凝土。

3.水平位移監(jiān)測方案。為研究該施工區(qū)間內(nèi)基坑開挖后支護樁的水平位移變形規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場實地踏勘的情況，工程采用測斜裝置對支護樁體的深部水平撓度值和周圍土體的深部水平位移量進行量測。測斜裝置由測斜管、測斜儀和數(shù)字式測讀儀組成。測斜管埋入墻體或者土體，通過測定測斜儀與垂直線之間的傾角的變化，求得不同深度部位的水平位移值。其計算原理如下：第 i 段的相對水平位移為Δ i = L i sinφ i 式中：L i 是第 i 段的垂直長度，通常取 500mm;φ i是第 i 段的相對傾角。將測斜管沿深度方向分為 N段，編號自下而上進行。設(shè)測斜管底端發(fā)生水平位移可忽略，即該點的水平位移偏差為零。則第 n 段深度處測斜管發(fā)生的水平位移偏差為Δ = ∑ Δ i =∑ L i sinφ i。

4.現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果。鑒于不同位置的支護結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移變形情況不同，拐點處的支護效果最佳，而跨中處支護樁的支護效果最差，所以選取具有代表性的 1/2 截面處的支護樁作為研究對象，采取分層開挖，各開挖工況如下：工況1，開挖0 ～1m;工況2，開挖1 ～2m;工況3，開挖2 ～5m，并打錨桿;工況 4，開挖 5 ～8m，并打錨桿;工況 5，開挖8 ～11m，并打錨桿。監(jiān)測結(jié)果如圖1 所示。由圖 1 可以看出支護結(jié)構(gòu)的水平位移從開挖時的幾毫米逐漸增加到開挖結(jié)束后的幾十毫米，其中最大水平位移為 44. 6mm，出現(xiàn)在支護樁深度 6m 處，小于規(guī)范要求的 60mm 或 0. 006H（H 為開挖達到設(shè)計標(biāo)高后的基坑深度），說明該基坑支護的設(shè)計和施工方案是合理的。

二、 Adina 軟件建模

1.基本假定

（1）該基坑為方形，長邊長度與短邊長度接近，利用對稱性取半截面進行分析。（2）樁身以及圈梁按線彈性體考慮，且按剛性連接，土體采用 D-P 彈塑性本構(gòu)模型。（3）土體和支護結(jié)構(gòu)單元均采用八節(jié)點六面體單元，不考慮樁土之間的粘著力和摩阻力。（4）基坑開挖期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結(jié)的影響。（5）支護樁 - 土之間接觸面假定為面 - 面接觸。（6）假設(shè)土體為均質(zhì)土且抗拉強度為 0。

2.計算模型及參數(shù)

3.建模計算。根據(jù)以上假設(shè)和各指標(biāo)參數(shù)，利用 Adina 軟件建立三維有限元計算模型，土體按照現(xiàn)場實際土層條件劃分 7 層，底面關(guān)閉 Z 方向的自由度，使其不產(chǎn)生豎向位移，本構(gòu)模型采用 D-P 彈塑性本構(gòu)模型，樁和錨桿采用線彈性材料，錨桿采用 Rebar 單元，該模擬開挖過程分 5 次開挖達到設(shè)計標(biāo)高，基坑開挖過程通過單元生死來實現(xiàn)。由于土體在自重應(yīng)力下產(chǎn)生固結(jié)，為更精確地模擬實際，在建模結(jié)束后需要施加初始地應(yīng)力，在 Adina 中可通過對模型施加重力作用近似得到初始應(yīng)力場。

三、有限元計算結(jié)果及分析

1.有限元計算結(jié)果。隨著開挖深度的加深，支護樁的水平位移量也逐漸增大，開挖達到設(shè)計標(biāo)高后，深度為 6m 處支護樁的水平位移最大且位移范圍最廣，支護樁水平位移隨開挖深度的變化規(guī)律，由于冠梁和錨桿的協(xié)同作用其位移最大值平均出現(xiàn)在樁身 6m 處，因此在施工過程中應(yīng)注意對樁身中部土體進行適當(dāng)加固。

2.與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)比較。為確保施工進程的安全，在整個開挖過程中進行全過程監(jiān)測，當(dāng)開挖達到設(shè)計標(biāo)高后將支護結(jié)構(gòu)變形的計算值和實測值進行比較，隨著開挖深度的加深，支護結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大，監(jiān)測位移值與計算值較為接近，前者基本保持在后者的 90% 以上，計算值是偏于安全的，因此可以說明運用 Adina 大型有限元分析軟件對基坑的開挖過程進行模擬是可行的。

四、結(jié)語

1.有限元模擬軟件的使用應(yīng)結(jié)合工程實例，根據(jù)不同的地質(zhì)情況和所要研究問題的不同簡化計算模型，進行建模分析。本文各土層土體參數(shù)由現(xiàn)場原位測試得到，能夠較真實的反應(yīng)土體在施工中的各項力學(xué)性能，通過三維有限元模型的建立，樁-土接觸面采用面-面接觸，更能較為準確地模擬實際情況，因此對于具有類似地質(zhì)條件的深基坑工程的施工有一定的參考價值。

2.樁身、冠梁的抗彎剛度、是否對被動區(qū)土體進行加固 3 個因素對支護結(jié)構(gòu)的水平位移影響較大，是否對被動區(qū)土體進行加固是最主要影響因素，在施工過程中對被動區(qū)土體進行加固是必要的。

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