Adina在基坑支护结构稳定分析中的应用

张向东，张 成

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000)

深基坑支护属临时性工程，是综合性的岩土工程难题，其技术复杂性远甚于永久性的基础结构或上部结构。如何在保障安全的前提下，进行合理的基坑支护施工并对变形进行监测，使工程达到经济效益的最大化，针对这一问题，国内外学者进行了大量的研究性工作。应宏伟等针对带撑双排桩支护结构建立模型进行有限元分析;李东杰等［1-2］建立了复合土钉支护结构内部整体稳定性安全系数计算模型;黄凯等［3］针对设有压顶梁的支护结构提出了准空间计算模型;杜东宁等［4］以沈阳地区的深基坑工程为研究对象，进行三维数值模拟分析;陈宏东等［5］研究了填土基坑的破坏机理;李立军［6］利用FLAC-3D模拟软件，计算深基坑双排桩支护工程在设置圈梁的情况下，其不同位置处桩顶位移与弯矩的变化;曾庆义等［7］通过对支护结构作用机理的探讨推导出求解冠梁作用力的力学公式;王桂平等［8］在基坑数值模拟中考虑了时空效应的作用;林鹏等［9］通过工程实例对基坑支护结构的受力和变形进行了数值分析，阐明了双排桩支护结构能最大程度的控制基坑工程变形。深基坑开挖工程的设计受到施工时诸多技术参数的影响，会在开挖过程中引起支护结构内力和位移的变化以及基坑内外土体的变形［10-11］，传统的设计方法难以事先设定或事后处理。应用有限元软件可以考虑这些问题，较好的模拟现场状况。本文结合工程实例，应用Adina软件良好的非线性分析功能对基坑开挖过程进行模拟分析，并对变形位移进行监测，监测结果与数值模拟结果较为吻合，从而说明利用Adina大型有限元分析软件模拟的可行性与可靠性。同时结合检测与模拟结果分析不同支护参数对支护结构变形的影响。

1 工程概况

1.1 工程地质情况

该基坑施工区间内地势平坦，周围无高层建筑物，安全等级二级，地下水位较高，无特殊地质构造，土层以及地下水分布情况如下:

(1)杂填土:由碎石、炉灰渣、砂土、粘性土等组成，结构松散，层厚0.6～1.2m;

(2)粉质粘土:局部地段上部为细砂，呈松散状态，层底埋深1.5～3.3m;

(3)中砂:黄褐色，局部地段上部为细砂，3m左右以上呈松散状态，3m以下呈稍密状态，层底埋深3.7～4.2m;

(4)粗砂:黄褐色，含少量卵砾石，一般呈松散状态，4m以下呈中密状态，层底埋深4.8～5.5m;

(5)砾砂:黄褐色，卵砾石含量30% ～40%，稍湿，一般呈密实状态，层底埋深6.1～7.5m;

(6)圆砾:黄褐色，卵砾石含量60% ～80%左右，以粗砂充填，一般呈密实状态，层底埋深8.2～14.5m;

(7)页岩:底层埋深16.5～50m;

(8)施工场地地下水位埋深9.5～9.6m。

1.2 支护方案

根据工程情况以及水文地质条件采用单排钻孔灌注桩加冠梁、锚杆支护方式。按设计要求桩长l=13m，桩径d=0.8m，支护桩中心距为1.4m，桩身混凝土等级为C20，采用三层锚杆，锚杆选用2Φ28钢筋，间距1.1m，角度为30°，桩深入基坑开挖面以下2m，桩身纵向主筋采用12Φ22钢筋，箍筋采用Φ10@200。桩顶设0.8m×1m的圈梁，混凝土强度等级C25;桩顶坡面及桩间土喷射强度等级为C20，厚度为300mm的混凝土。

1.3 水平位移监测方案

为研究该施工区间内基坑开挖后支护桩的水平位移变形规律，根据现场实地踏勘的情况，工程采用测斜装置对支护桩体的深部水平挠度值和周围土体的深部水平位移量进行量测。测斜装置由测斜管、测斜仪和数字式测读仪组成。测斜管埋入墙体或者土体，通过测定测斜仪与垂直线之间的倾角的变化，求得不同深度部位的水平位移值。其计算原理如下:

第i段的相对水平位移为

式中:Li是第i段的垂直长度，通常取500mm;φi是第i段的相对倾角。将测斜管沿深度方向分为N段，编号自下而上进行。设测斜管底端发生水平位移可忽略，即该点的水平位移偏差为零。则第n段深度处测斜管发生的水平位移偏差为

1.4 现场监测结果

鉴于不同位置的支护结构所产生的位移变形情况不同，拐点处的支护效果最佳，而跨中处支护桩的支护效果最差，所以选取具有代表性的1/2截面处的支护桩作为研究对象，采取分层开挖，各开挖工况如下:工况1，开挖0～1m;工况2，开挖1～2m;工况3，开挖2～5m，并打锚杆;工况4，开挖5～8m，并打锚杆;工况5，开挖8～11m，并打锚杆。监测结果如图1所示。

由图1可以看出支护结构的水平位移从开挖时的几毫米逐渐增加到开挖结束后的几十毫米，其中最大水平位移为44.6mm，出现在支护桩深度6m处，小于规范要求的60mm或0.006H(H为开挖达到设计标高后的基坑深度)，说明该基坑支护的设计和施工方案是合理的。

图1 监测桩水平位移随深度变化曲线Fig.1 Curve of monitoring pile horizontal displacement changes with depth

2 Adina软件建模

2.1 基本假定

(1)该基坑为方形，长边长度与短边长度接近，利用对称性取半截面进行分析。

(2)桩身以及圈梁按线弹性体考虑，且按刚性连接，土体采用D-P弹塑性本构模型。

(3)土体和支护结构单元均采用八节点六面体单元，不考虑桩土之间的粘着力和摩阻力。

(4)基坑开挖期间土体按不排水条件考虑，不考虑渗流和固结的影响。

(5)支护桩-土之间接触面假定为面-面接触。

(6)假设土体为均质土且抗拉强度为0。

2.2 计算模型及参数(表1、表2)

表1 土层物理力学指标及计算参数Table 1 Soil physical and mechanical indexes and parameters

表2 锚杆和桩的计算参数Table 2 Calculation parameters of anchor and pile

2.3 建模计算

根据以上假设和各指标参数，利用Adina软件建立三维有限元计算模型，土体按照现场实际土层条件划分7层，底面关闭Z方向的自由度，使其不产生竖向位移，本构模型采用D-P弹塑性本构模型，桩和锚杆采用线弹性材料，锚杆采用Rebar单元，该模拟开挖过程分5次开挖达到设计标高，基坑开挖过程通过单元生死来实现。由于土体在自重应力下产生固结，为更精确地模拟实际，在建模结束后需要施加初始地应力，在Adina中可通过对模型施加重力作用近似得到初始应力场。计算模型如图2所示。

图2 模拟计算网格图Fig.2 Simulation grid map

3 有限元计算结果及分析

3.1 有限元计算结果

随着开挖深度的加深，支护桩的水平位移量也逐渐增大，开挖达到设计标高后，深度为6m处支护桩的水平位移最大且位移范围最广，各开挖工况计算结果如图3所示。

图3 桩的水平位移随深度变化曲线Fig.3 Curve of pile horizontal displacement change with depth

由图3可以看出，随着开挖深度的变化，工况1到工况3的水平位移变化相差较大，工况3到工况5变化量逐渐减小，主要原因是工况3到工况5施加了锚杆。该图直观给出了支护桩水平位移随开挖深度的变化规律，由于冠梁和锚杆的协同作用其位移最大值平均出现在桩身6m处，因此在施工过程中应注意对桩身中部土体进行适当加固。

3.2 与现场监测数据比较

为确保施工进程的安全，在整个开挖过程中进行全过程监测，当开挖达到设计标高后将支护结构变形的计算值和实测值进行比较，由图3可知，由于冠梁和锚杆的共同作用，最大位移出现在全桩长的中部，所以取深度6m处水平位移的实测值与计算值进行比较。

由图4可以看出随着开挖深度的加深，支护结构的水平位移逐渐增大，监测位移值与计算值较为接近，前者基本保持在后者的90%以上，计算值是偏于安全的，因此可以说明运用Adina大型有限元分析软件对基坑的开挖过程进行模拟是可行的。

图4 深度6m处的水平位移计算值与实测值的对比Fig.4 Comparison of calculated and measured values of horizontal displacement at 6m

4 参数影响分析

以前述参数建立的模型作为参考算例，进一步研究桩身、冠梁的抗弯刚度、被动区土体加固等因素对支护结构变形的影响，以下均选取工况5的计算结果进行比较。

4.1 桩身抗弯刚度的影响

把参考算例中桩身的抗弯刚度减小作为算例1，其计算结果与参考算例的比较如图5所示。

4.2 被动区土体加固的影响

参考算例中对被动区土体进行了一定程度的加固，现将不加固的情况作为算例2进行计算分析，结果与参考算例进行比较如图6所示。

图5 桩身抗弯刚度对水平位移的影响Fig.5 Effect of pile flexural rigidity on the horizontal displacement

图6 被动区土体加固对水平位移的影响Fig.6 Effect on the horizontal displacement of soil reinforcement at passive zone

4.3 冠梁抗弯刚度的影响

将参考算例中冠梁的抗弯刚度减小作为算例3，计算结果与参考算例进行比较如图7所示。

图7 冠梁抗弯刚度对水平位移的影响Fig.7 Effect of pile flexural rigidity on the horizontal displacement

通过对不同算例下支护结构的模拟分析可知:改变桩身、冠梁的抗弯刚度、是否对被动区土体进行加固等因素对支护结构的水平位移有很大程度的影响，当削弱以上三个影响因素时，支护结构的水平位移会有明显增大，由图7可以看出减小冠梁的抗弯刚度对支护结构的位移变化影响不明显，通过对比可知是否对被动区土体进行加固是影响支护结构水平位移的一个重要因素.因此，在施工过程中应根据实际情况对被动区土体进行加固处理。

5 结论

(1)有限元模拟软件的使用应结合工程实例，根据不同的地质情况和所要研究问题的不同简化计算模型，进行建模分析。本文各土层土体参数由现场原位测试得到，能够较真实的反应土体在施工中的各项力学性能，通过三维有限元模型的建立，桩-土接触面采用面-面接触，更能较为准确地模拟实际情况，因此对于具有类似地质条件的深基坑工程的施工有一定的参考价值。

(2)桩身、冠梁的抗弯刚度、是否对被动区土体进行加固3个因素对支护结构的水平位移影响较大，是否对被动区土体进行加固是最主要影响因素，在施工过程中对被动区土体进行加固是必要的。

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