埃塞俄比亚国家银行超深基坑支护优化设计

柯昌仁，田 东

（1.十五冶第一工程有限公司，黄石 435000；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070）

1 ANSYS软件简介

ANSYS有限元分析软件是一种集很多学科为一体的综合性软件，在很多方面都应用广泛，比如电子电器、计算机科学、机械、水利工程以及一些生物方面的科学研究都用到了此类技术［1］。ANSYS有限元分析软件有着非常强大的功能，比如ANSYS在建模方面异常强大，他可以建立各种复杂的模型，建模的方法有单一的从底到上、从顶到下和两者混合使用几种方法，可以根据用户所需的方法去构思采用哪种方法。其次ANSYS软件的求解功能也异常强大，它有着很大的计算功能，并且提供了很多的计算方法，也可以根据不同的需要自行选择［3］；ANSYS具有非线性的求解分析能力强的特点，特别是在土体的分析中有着强大的功能。同时ANSYS有限元分析软件也有着强大的分析能力，针对结构的设计优化有自己独到的求解优化过程。其还可以与很多其他软件接口，能够与其他软件的资源相互交流。

2 WEGAGEN银行大楼深基坑工程简介和数值模拟

2.1 工程概况

WEGAGEN银行大楼位于埃塞首都亚的斯亚贝巴市中心，是一栋集办公、购物、餐饮为一体的高层建筑。工程场地现已有围墙封闭，该工程用地面积2263m2，建筑物占地面积1900m2，现场场地平坦，周边均有建筑物，场地狭小。该办公大楼地上24层，地下3层，总建筑面积为32159m2；地下室基底最大深度15.2m。基础设计为人工挖孔灌注桩，地下室筏板基础，地上主体为现浇钢筋砼框架－剪力墙结构。

2.23 种工况的有限元计算模型

2.2.1 桩墙全支撑支护结构

支护桩采用的混凝土的设计强度是C35，桩的直径也都为1000mm，钢筋的保护层厚度为50mm，在基坑支护边上，各个剖面的支护桩的有效桩长都为21.15m，支护桩的顶部采用的是厚度为900mm、宽度为1200mm的冠梁连接为一个整体，桩与桩之间的间距都是1.30m，桩间的土体都是采用挂钢模网喷射的混凝土，其他的设计内容均参照国家现行的相关规范和规程。全支撑采用的是Solid45单元，具体的ANSYS网格划分模型如图1（a）所示。

2.2.2 桩墙角支撑支护结构

支护桩及冠梁等结构与桩墙全支撑支护结构相同，基坑角撑也是采用的是Solid45单元，具体的网格划分模型如图1（b），在桩墙角支撑模型的网格划分中，支撑的网格划分加密，同时在内支撑中的立柱桩桩底采用固结形式。

2.2.3 桩墙锚撑支护结构

支护桩及冠梁等结构与桩墙全支撑支护结构相同，在该工程中桩土的模型均采用的是8节点单元的模型，桩墙采用的是Solid65单元。土体采用的是Solid45单元；由于在基坑中锚杆只有沿着杆方向的受力，所以采用的是Beam8单元，桩土之间的接触采用的是Target170单元和Contact173单元，单元网格的划分采用的是体扫掠网格划分，在基坑的周边均采用的是无水平约束，具体详细ANSYS模型如图1（c）所示。

3 模拟结果与分析

WEGAGEN银行大楼项目深基坑开挖过程中可以运用各种类型的支护结构来围护基坑，防止基坑产生很大的侧向位移及基坑隆起，通过ANSYS分别模拟3种工况在基坑开挖完成之后的结果分析如下：

3.1 桩墙全支撑支护结构

当土体在开挖完毕之后，基坑的水平位移如图2所示。

由图2可以看出，在基坑开挖完成后，基坑的最大位移在基坑的最底部位置，为15.2mm，为基坑开挖深度的0.116%，远远超过了规范所要求的位移值，完全符合设计规范要求。

从图3可以看出，其沉降量的最大值也主要集中在基坑的周边坐落的几栋房子周边；同时在基坑的底部并没有出现隆起的现象，反而是出现了基坑的底部沉降，其沉降量最大为12mm左右，满足要求；同时基坑的最大竖向位移与桩墙锚杆支撑和桩墙角支撑的位移基本一样，为37.6mm，为基坑开挖深度的0.288%，符合规范要求设计值。

3.2 桩墙角支撑支护结构

当土体在开挖完毕之后，基坑的X方向的水平位移如4图所示。

由图4可以看出，在基坑开挖完成后，往基坑内部方向的水平位移的最大值为24.1mm，为基坑开挖深度的0.184%，完全符合设计规范要求。土体的最大位移在中上部的位置；而在基坑的西面基坑的位移全高位移相差不大，都在12mm左右。

从图5可以看出，其沉降量的最大值集中在基坑的周边坐落的几栋房子周边；同时在基坑的底部并没有出现隆起的现象，反而是出现了基坑的底部沉降，其沉降量最大为8mm左右，满足要求；同时基坑的最大竖向位移与桩墙锚杆支撑的位移基本一样为37.6mm，为基坑开挖深度的2.88‰，符合规范要求设计值。

3.3 桩墙锚撑支护结构

当土体在开挖完毕之后，基坑X方向的水平位移云图如图6所示，从图中可以看出，在基坑开挖完成后，往基坑内部方向的水平位移的最大值为30.3mm，为基坑开挖深度的0.232%，符合设计规范要求。基坑的位移随着基坑的深度先逐渐变大到然后慢慢减少，土体的位移变化也是中间大，两边小。

从图7可以看出，其沉降量的最大值主要集中在基坑的周边坐落的几栋房子周边，同时在基坑的底部并没有出现隆起的现象，反而是出现了基坑的底部沉降，其沉降量最大为12.7mm左右，满足要求；同时基坑的最大位移为37.5mm，为基坑开挖深度的0.287%，符合规范要求设计值。

4 结 语

通过该文上述工程模型的理论计算表明，对于桩墙锚杆支护体系，当基坑开挖完成后，基坑的最大水平位移为30.3mm，为基坑开挖深度的0.232%；而对于桩墙角支撑支护体系和桩墙全支撑支护体系，其开挖完成后的最大水平位移分别为24.1mm和15.2mm，分别为开挖深度的0.184%和0.116%；三者支护形式都满足安全性的要求。虽然后两者基坑支护安全储备位移高，但是对于整个工程的经济是一种浪费。

通过计算理论分析，三个模型中基坑在四个角位置的位移较小，每一边的最大位移基本上都在每一边中间位置左右，而且沿着深度方向，除全支撑外，其他两个模型都是沿着深度的加深，位移的变化先变大后减小到最小，同时也证明了基坑开挖的过程中三维的空间效应，支护可以采用多样的形式来达到基坑支护设计的优化。

超深基坑开挖的过程本就是一个相当复杂的动态过程，基坑开挖的过程中，基坑产生的最大水平位移不一定在基坑开挖完成以后，也有可能产生在基坑开挖的过程中，所以在建立模型的时候还需要考虑开挖过程中的工况问题，对基坑开挖整个过程仿真模拟，更能充分的反映基坑开挖过程中最大位移的时间和地点。

［1］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］尹 双，张仲先，王 勇.深基坑支护方案的分析与优化［J］.岩土工程技术，2005，19（3）.

［3］郝文化，叶裕明，刘春山，等.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［4］肖武全，冷伍明.深基坑支护结构设计的优化方法［J］.岩土力学，2007，28（6）.

［5］尹双张，仲 先，王 勇.深基坑支护方案的分析与优化［J］.岩土工程技术，2005（3）：152－154.

［6］施 晋.基于ANSYS多支点排桩围护结构的计算模拟［D］.合肥：合肥工业大学，2006.