基于ANSYS 的深基坑土钉墙支护数值模拟

牛中元

0 引言

基坑工程一直是岩土工程的一个重要课题，随着社会发展，人口增多，人们对城市空间的需求不断增长，随着世界各个领域的发展，人们对于城市的概念也逐渐改变，如果说20世纪是高楼大厦的世纪，那么21世纪便是地下的世纪。各类地下设施如高层建筑物地下室、地下铁道、海底隧道、地下街等各种形式，开发和建造这些地下空间的首要条件是稳固的基坑支护，所以深基坑还是当前最热的研究课题。对此数值模拟还需要积累更多的模拟经验，本文利用模拟结果，对实际工程方案进行了验证。

1 工程概况

1.1 场地概况

拟建工程位于邯郸市光明南大街东侧，市口腔医院对面。交通非常便利。占地面积约2300 m2。拟建1栋28层办公兼住宅楼，采用框架剪力墙结构。设地下室两层，基础埋深为9.0 m，拟采用筏板下桩基础，桩基拟采用钻孔灌注桩或后压浆旋挖式钻孔灌注桩。深基坑占地面积45.0 m×50.0 m，基坑深度9.0 m，支护拟采用土钉墙形式。

各土层物理力学指标见表1。

表1 各土层的物理力学指标

1.2 方案选取

本基坑设计采用下面两种设计方案:

方案一:土钉直径110 mm，采用Ф22二级螺纹钢筋，净水泥浆重力灌浆，水泥标号425;洛阳铲人工成孔，倾角15°，土钉平均长度9.0 m，间距1.5 m。坑壁放坡坡度为1∶0.2。喷射混凝土面层厚度100 mm，强度等级C20;内设钢筋网，钢筋直径8 mm，网格尺寸200 mm。分6步设置土钉。

方案二:土钉直径110 mm，采用Ф22二级螺纹钢筋，净水泥浆重力灌浆，水泥标号425;洛阳铲人工成孔，倾角15°，土钉平均长度7.0 m，间距1.2 m。坑壁放坡坡度为1∶0.2。喷射混凝土面层厚度100 mm，强度等级C20;内设钢筋网，钢筋直径8 mm，网格尺寸200 mm。分8步设置土钉。由于篇幅所限，本文只附上方案一的基坑模拟开挖过程。

2 开挖过程的模拟

2.1 各参数设计值的选取及模型建立

各参数设计值采用的数据见表2。

表2 各参数设计值

图1 （方案一）生成的有限元模型

本文采用二维模型，建立X—Y坐标平面图，工作经验表明，基坑开挖的影响宽度约为开挖深度的3倍，影响深度约为开挖深度的2倍～4倍。本文所确定的模型X代表水平向、Y代表竖直向。坐标原点取开挖9.0 m深处的坡脚点。X正向取3倍基坑深度即27.0 m;27.0 m外应力影响很小可视为0。X负向取基坑中点即25.0 m;因为基坑坑壁对称，该点X方向位移为0，且应力平衡。ANSYS建模几何图见图1。

2.2 分步开挖的水平位移

第一步～第六步开挖的水平位移图分别见图2～图7。

图2 第一步开挖水平位移图

图3 第二步开挖水平位移图

图4 第三步开挖水平位移图

图5 第四步开挖水平位移图

图6 第五步开挖水平位移图

图7 第六步开挖水平位移图

从图2～图7中可直观地看出以下分布规律:离坑壁距离愈远，则水平位移愈小;坑壁上最大水平位移发生在中下部位。

3 两种方案的坑壁水平位移对比

两种土钉墙支护方案的坑壁水平位移曲线同列在图8中，以便于对比。

图8 两种方案的坑壁水平位移对比

可以看出，9.0 m土钉方案的水平位移值低于7.0 m土钉方案。分析其原因，虽然7.0 m土钉方案的土钉密度较9.0 m方案的大，但9.0 m的土钉更能够发挥土体自承能力，使离坑壁较远处土体也同时发挥较好的自承、自稳作用。

4 结语

从模拟分析结果看，ANSYS软件能够正确的对基坑开挖与支护进行数值模拟计算，得到了每步开挖的基坑水平位移图，分析了不同土钉长度对基坑支护的影响，所得计算结果与前人理论结果趋势相符合，也与工程实际及采用方案相吻合。对工程技术、设计人员有一定的指导意义。

[1]李清生.土钉挡墙技术在深基坑支护中的应用[J].山西建筑，2003，29(11):25-27.

[2]刘 辉，蔡美峰.基于FLAC2D的深基坑支护设计数值分析[J].四川建筑科学研究，2008，34(2):138-141.

[3]王合玲，程祖锋.土钉技术在黄土状土边坡支护中的应用研究[J].河北工程大学学报，2007，24(3):39-41.

[4]王奎阳.土钉墙支护应用研究[D].邯郸:河北工程大学，2009.

[5]谢 平.软土地区深基坑设计与变形分析技术[J].山西建筑，2011，37(2):83-84.