基坑開挖支護力學性能分析

（吉林建筑大學土木工程學院，吉林 長春130118）

摘要：深基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)的變形會對基坑整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。本文以某基坑支護為例，利用ABAQUS有限元軟件對基坑和開挖下的支護結(jié)構(gòu)進行力學分析，研究不同支護結(jié)構(gòu)的變形特點及規(guī)律，從而進一步得到基坑整體的變形，以獲得支護結(jié)構(gòu)對基坑整體變形的影響。同時，在結(jié)構(gòu)整體安全得到滿足的情況下，通過分析得到的應力應變圖，找到結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大應力、變形的位置。根據(jù)ABAQUS有限元軟件得到的分析計算結(jié)果，為實際情況下基坑開挖施工提供了理論依據(jù)和方法。

關鍵詞：基坑；支護；有限元方法；力學分析

中圖分類號：TU473.2" " " " "文獻標識碼：A 文章編號：

Analysis of Mechanical Properties of Foundation Excavation Support

DING Ye，SHA Lirong*

（School of Civil Engineering， Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract：In the process of deep foundation pit excavation， the deformation of the support structure can adversely affect the overall stability of the pit.This paper takes a certain foundation pit support as an example， utilizing the ABAQUS finite element software to carry out a mechanical analysis of the foundation pit and the support structure under excavation. The study focuses on the deformation characteristics and patterns of different support structures， thereby further obtaining the overall deformation of the pit to determine the impact of the support structure on the overall deformation of the foundation pit. Furthermore， while ensuring the overall safety of the structure， the stress-strain diagrams obtained from the analysis are used to locate the positions where the structure experiences maximum stress and deformation. Based on the analysis and calculation results obtained from the ABAQUS finite element software， theoretical foundations and methods are provided for the actual construction of foundation pit excavation.

Keywords：foundation pit；support；finite element method；mechanical analysis

0 引言

隨著環(huán)保理念的不斷普及，社會更加注重可持續(xù)發(fā)展和資源的合理利用。同時，城市化進程使得地上空間越來越緊缺?；诖耍叵驴臻g成為備受關注的領域。隨著時代的進步和地下空間方面的利用，地下環(huán)境的復雜性也在逐步提升，加大了基坑工程的支護難度。因此，在地下環(huán)境復雜多變的情況下，如何選擇合適的支護結(jié)構(gòu)是當前需要解決的問題。在做好充分準備并采取相應措施后，才能更好地發(fā)揮地下空間應用價值，并實現(xiàn)可持續(xù)、高效、安全、環(huán)保等目標。

近年來，國內(nèi)外學者對基坑支護的選型進行了研究，汪增超等[1]研究了基坑支護選擇的重要性，把基坑支護結(jié)構(gòu)分成四類，并分別闡述了各支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點和應用范圍等；何淵等[2]通過工程實例對模糊隨機可靠度的計算方法進行了研究，并在ABAQUS上建立了土釘支護結(jié)構(gòu)的有限元模型，研究了土釘?shù)牟贾门c支護效果之間的關系；來劉陽[3]以黃土區(qū)為例，選擇幾個指標，建立基坑支護結(jié)構(gòu)的綜合評估系統(tǒng)，優(yōu)化基坑支護方案；張旭群等[4]利用三維數(shù)值模擬技術，對相鄰隧道的基坑開挖進行模擬，分析開挖后的改變，從而評價基坑開挖對相鄰隧道的影響。

本文以成都市天府新區(qū)某基坑支護工程設計為研究背景，詳述基坑支護設計方案，經(jīng)ABAQUS計算，獲取基坑監(jiān)測實測數(shù)據(jù)并進行分析，研究基坑在開挖至坑底工況下，支護結(jié)構(gòu)的受力特點和變形規(guī)律。

1 ABAQUS簡介

ABAQUS是一款適用于各種復雜非線性問題的工程仿真軟件。ABAQUS包含了一個能仿真任意幾何形狀的完全單元庫。同時，軟件還建立了各種材料的數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)Φ湫偷墓こ滩牧线M行仿真。ABAQUS是一種通用的數(shù)值模擬軟件，不但能處理很多復雜的結(jié)構(gòu)（應力/位移）問題，還能對其他工程中的很多問題進行數(shù)值模擬，如熱傳導，質(zhì)量擴散，熱電耦合，聲學，巖土（滲流/應力），壓電等。ABAQUS給用戶帶來了很多方便快捷的功能。利用多種選項塊的組合，可以對許多復雜的問題進行仿真。一個復雜的多部件問題，可以用一個確定各部件幾何大小的選項框和一個對應的材質(zhì)屬性選項框來建模。在大部分仿真中，甚至在處理高度非線性問題時，使用者只要給出幾個工程參數(shù)，如結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料特性、邊界條件和載荷條件。利用ABAQUS軟件進行非線性分析時，可自動選取對應的加載增量及收斂點。它不但可以選取適當?shù)膮⒘?，而且在解析的時候可以隨時調(diào)整參量，以確保解的高效和精確。在此基礎上，對所得到的數(shù)值結(jié)果進行詳細分析。

相比較另一款軟件ANSYS：ANSYS的主要目的是擴大其應用范圍，并在流體、電磁場以及多場耦合中得到了廣泛的應用。ABAQUS軟件主要關注的是結(jié)構(gòu)力學和相關領域，它的目標是解決實際問題。這兩種方法都可以很好地求解一般的線性問題，而且在模型規(guī)模、計算過程和計算速度上沒有太大的差別。而ABAQUS程序在求解非線性方程時，由于其具有較強的智能求解能力，能夠很好克服其它方法所不能克服的非線性方程，并且具有快速、簡單、易用等優(yōu)點。

2 工程概況及基坑支護方案選取

2.1 工程概況

該基坑場地位于成都市天府新區(qū)，下鄰武漢路，左靠牧華街，預建地下室4層，深度約22.6 m，地上約200 m的超高層住宅，基坑邊界約105 m×50 m，地鐵一號線位于基坑南側(cè)18 m左右。 該建筑地理位置平面布置圖如圖1所示。

2.2 基坑支護方案選取

根據(jù)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、施工場地條件和基坑周邊環(huán)境要求等因素，參照基坑支護成功經(jīng)驗和各種基坑支護結(jié)構(gòu)適用條件，本次基坑支護選擇地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁結(jié)合錨桿形式，其中水平支撐主要是鋼筋混凝土支撐。

1） 地下連續(xù)墻：在泥漿護壁的保護下，使用專用的成槽工具開挖深槽，隨后放置鋼筋籠，用導管澆筑水下混凝土形成的混凝土墻，以上工作都是在基坑開挖前準備。地下連續(xù)墻的大部分厚度為600 mm～1 200 mm，使用多頭挖槽機開挖，接頭主要使用十字鋼板和鎖口管等形式[5]。

2） 鉆孔灌注樁：鉆孔灌注樁是先在地層上用機械設備或者人力鉆出一個需要的樁孔，隨后將制作好的鋼筋籠放入樁孔中，再對其進行灌注和澆筑混凝土，養(yǎng)護一段時間后，即形成鉆孔灌注樁[6]。

3） 錨桿：錨桿支護在當前的工程實例中較為常見，它適用于超過7 m的大部分深度地基坑。這種支護方法主要通過錨桿連接地基坑中的巖石和土壤，用豎立的支撐結(jié)構(gòu)支撐。拋開錨桿支護單獨使用的情況，在實際工程中，錨桿經(jīng)常與其他支護結(jié)構(gòu)一起使用，例如：地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁等，具體使用情況需按照實際情況確定。

4） 鋼筋混凝土支撐：鋼筋混凝土支撐具有高剛性、高強度和小變形，其斷面大小及布置形式可根據(jù)具體要求靈活選擇；但是，在鋼筋混凝土支撐架設時，必須在混凝土強度達到一定水平后，才能繼續(xù)挖掘，需要花費很長的時間，而且拆除鋼筋混凝土支撐較為麻煩[7]。

按該基坑面積，該工程屬于較大工程，基坑深度為22.6 m，屬于深基坑，基坑南側(cè)18 m處埋設地鐵一號線，所以基坑南面適合地下連續(xù)墻施工方式；基坑西側(cè)同樣采用地下連續(xù)墻的做法進行施工；因基坑北側(cè)以及東側(cè)邊界處無特殊情況，采用鉆孔灌注樁結(jié)合錨桿的方法；基坑內(nèi)部采用鋼筋混凝土支撐。

3 有限元分析

運用ABAQUS有限元分析軟件建立基坑支護的實體單元，采用三維實體單元8節(jié)點縮減積分C3D8R進行模擬。模擬中不考慮混凝土的本構(gòu)關系，只提出了彈性假設。其中土體只考慮了自重為10 N/kg，土體的密度為1.5 kg/m？，楊氏模量為1.5×108" Pa，泊松比為0.25，由于是基坑工程，設置了摩爾-庫倫塑形，其中的摩擦角為8°，膨脹角為0.1°。

3.1 地下連續(xù)墻的應力和位移分析

通過后處理查看地下連續(xù)墻有限元分析的結(jié)果，獲得應力云圖和位移云圖（見圖2～圖3）。

通過應力云圖2看出，開挖到坑底時，底線連續(xù)墻應力較大的位置在基坑底部，頂部應力基本變化不大，其中最大的應力為2.094×107 Pa；通過位移云圖3看出，在地下連續(xù)墻的中部位移最大，頂部和兩側(cè)的位移最小，其中最大的位移為0.057 8 m，都是發(fā)生在基坑的底部偏中的位置。由最大應力和最大位移可知，結(jié)構(gòu)安全。

3.2 鋼筋混凝土支撐的應力和位移分析

圖4為后處理鋼筋混凝土支撐的有限元分析結(jié)果。

通過圖4（a）可以看出，開挖到坑底時，鋼筋混凝土內(nèi)支撐應力較大的位置在基坑底部，有較小部分在中部，其中最大應力為5.496×107 Pa；圖4（b）可以看出，位移較大的同樣在基坑底部，端部也有較小部分變形，其中最大位移為0.053 3 m。由最大應力和最大位移可知，結(jié)構(gòu)安全。

3.3 鉆孔灌注樁結(jié)合錨桿的應力和位移分析

鉆孔灌注樁的材料是混凝土，錨桿的密度為7.85 kg/m3，其中的楊氏模量為2.06×1011 Pa，泊松比為0.3。

圖5為后處理后鉆孔灌注樁結(jié)合錨桿的有限元分析結(jié)果。

通過圖5（a）可以看出，開挖到坑底時，鉆孔灌注樁的應力分布比較均勻，大部分的應力主要是被錨桿承擔，其中錨桿的最大應力主要分布在基坑中部偏下和基坑底部偏中的位置，其中最大應力為2.106×108 Pa；通過圖5（b）可以看出，鉆孔灌注樁的最大位移主要分布在基坑中部偏下的位置，其中最大位移為0.049 8 m；錨桿的位移變形較小。由最大應力和最大位移可知，結(jié)構(gòu)安全。

3.4 整體結(jié)構(gòu)的應力和位移分析

基于上述分析，最后對工程開挖到基坑坑底進行整體受力分析。" "圖6為后處理后整體結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果。

通過圖6左（a）可以看出，在開挖到坑底時，地下連續(xù)墻、混凝土水平支撐和鉆孔灌注樁所受到的應力都不大，只有在最后一層底層的結(jié)構(gòu)所受到的應力較大，整體沒有受到太大影響，但是，只有錨桿所受到的應力最大，大部分都集中于鋪設在最后兩層的錨桿上，其中應力最大的位置在最后兩層的中部，最大的應力為2.106×108 Pa；通過圖6（b）可以看出，在開挖到坑底時，混凝土水平支撐所受到的應力最小，與其他支護結(jié)構(gòu)不同的是，其應力較大的位置是在與其他支護結(jié)構(gòu)相交的位置，其次應力較大的是鉆孔灌注樁結(jié)合錨桿，這種支護結(jié)構(gòu)應力較大位置主要體現(xiàn)在鉆孔灌注樁上面，位置是在基坑底部偏中，最后應力最大的是地下連續(xù)墻，其中應力主要集中在底部的中間位置，類似于頂端和鉆孔灌注樁相結(jié)合的位置反而應力并不大，整體結(jié)構(gòu)最大的位移為0.057 8 m。根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的應力、位移有限元分析結(jié)果顯示可知，該結(jié)構(gòu)可靠安全。

4 結(jié)語

本文利用ABAQUS構(gòu)建數(shù)據(jù)模型時，為了從整體進行分析和突出問題重點，從而簡化了基坑周邊的環(huán)境、土體與自身狀況。進行了一系列假設，最后對軟件處理后的結(jié)果進行結(jié)構(gòu)應力和位移的分析。從應力云圖和位移云圖上可以看出，位移變形都會發(fā)生在基坑底部的位置，底部的壓力較大，但均符合基坑檢測報警值的范圍。

參 考 文 獻

[1]汪增超，朱愛軍.基坑支護形式選型與優(yōu)劣研究[J].黑龍江科技信息，2016（35）：236-237

[2]何淵，廖瑛.深基坑土釘支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析及三維有限元數(shù)值模擬[J].蘇州：蘇州科技大學學報（工程技術版），2017，30（2）：6-12.

[3]來劉陽.黃土地區(qū)深基坑支護方案優(yōu)選及施工仿真分析[D].西安：西安理工大學，2018.

[4]張旭群，隋耀華，林沛元.基坑開挖對臨近地鐵隧道安全運營評估[J].廣東：廣東土木與建筑，2021，28（12）：41-45.

[5]謝海濱.桂林某學校紅黏土深基坑開挖變形分析[D].桂林：桂林理工大學，2022.DOI：10.27050/d.cnki.gglgc.2022.000168.

[6]陳漢文.鉆孔灌注樁樁端后注漿施工工法及承載力的研究[D].淮南：安徽理工大學，2022.DOI：10.26918/d.cnki.ghngc.2022.000104.

[7]裴寶家.土巖組合地層深基坑穩(wěn)定性及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].淮南：安徽建筑大學，2021.DOI：10.27784/d.cnki.ghjz.2021.000115.

編輯：王國巖

基金項目：吉林省科技廳重點研發(fā)項目（20220203072SF）；吉林省自然科學基金 （YDZJ202201ZYTS407）

作者簡介：丁鄴（1998～），男，安徽省合肥市人，研究生碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

*通信作者：沙麗榮（1972～），女，吉林省長春市人，副教授，博士，研究方向：固體力學。