基坑开挖过程中支护结构力学性能的有限元分析

齐 毅 男

(广州大学工程抗震研究中心，广东 广州 510010)

基坑开挖过程中支护结构力学性能的有限元分析

齐 毅 男

(广州大学工程抗震研究中心，广东 广州 510010)

以云南文化广场的基坑支护工程为例，采用MSC.Marc有限元软件对支护结构在支撑结构和土体之间的共同作用下的影响进行了模拟，并对桩、支撑和土体采用弹性分析和弹塑性分析，分析结果表明：内支撑系统在土压力作用下处于弹性状态，支撑在与支护桩连接位置的应力相对较大；基坑边线夹角角度越小，所受的应力就越集中，所以该处应布置较多的监测点。

基坑开挖，有限元分析，基坑支护，监测点布置

1 工程概况

该实际工程为云南民族文化广场基坑项目,总面积为10 010.05 m2，该基坑周长350 m,外形不规则，基坑深度为16.2 m～16.8 m，对撑长度78 m，安全等级为一级。本工程的支撑系统采用内支撑体系，支撑分为两层。

1层地下室的基底埋深约在-4.6 m，2层地下室的基底埋深约在-8.2 m，3层地下室基底埋深约在-11.8 m，4层地下室的基底埋深约在-15.4 m,实际的开挖深度为地面下16.50 m左右。上述实际开挖深度的计算没有考虑局部坑边坑(塔楼靠近开挖边线的位置)及坑中坑(电梯井、积水井)的特殊情况。

2 工程地质条件

云南民族文化广场地下室为3层地下室结构，开挖深度为16.2 m。土层的力学指标见表1。

表1 土层物理力学指标

3 基坑开挖过程有限元分析

模型采用美国MSC公司开发的MSC.Marc三维有限元软件进行计算，并使用MSC.Marc的单元“生死”功能来模拟土体开挖和支护体系的施工，以便真实地模拟支撑体系和土体之间的共同作用及各个工况下支护结构所受的影响，“生死“单元分为单元的“杀死”和“激活”两种状态。“杀死”单元是以一个很小的数与单元的刚度和质量相乘，使该单元不发挥作用。而“激活”单元则是让之前“杀死”的单元恢复原有的刚度和质量[1]。模型中，支护桩的板单元和土体单元上是附着在一起的，土体因自重发生沉降的过程中，此时支护桩单元被“杀死”，对土体的沉降不产生影响。当完成沉降计算后，再使支护桩单元被“激活”。这样能够保证其已有形变的前提下使其内力为零，并符合工程中的实际情况。

3.1 材料特性及单元选取

在深基坑工程中内支撑一般情况下为弹性状态，土体则为弹塑性状态[3]。为了提高计算效率，更好模拟土和支护桩的相互作用情况，对支撑和支护桩用弹性分析，而对土层则用弹塑性分析，以Drucker-Prager准则及相关的流动法则[4]作为屈服准则。

内支撑体系主要承受轴向压力，钢筋受压性能不予以考虑，所以在有限元模型中没有对钢筋模型进行建立，对竖向支撑进行了等刚度代换。土层参数根据勘察报告选取，各材料属性见表2。

表2 有限元模型材料参数

该模型采用Solid HEX7#单元，由8个结点组成的实体单元。该单元每个结点都有3个自由度，适用于本模型。

本模型高度是基坑深度的2倍，模型的长度与宽度为基坑深度的3倍。 由于压力引起基坑的变形，因此内支撑体系除了承担自身重量以外主要以承受轴力为主[5]。

位移边界条件:是约束刚体位移的边界条件，在本模型中包括模型底面Z方向位移，模型四周X,Y方向位移。应力边界条件：是提供模型所受的外力，在本模型中主要是土体及支撑体系的自重。

3.2 施工工况

工况1：支护单元被“杀死”，在自重作用下模型沉降，模拟土体固结；

工况2：支护单元激活，从而冠梁支撑起作用；

工况3：第一层的土体单元被“杀死”；

工况4：第一层的支撑单元被“激活”；

工况5：第二层的土体单元被“杀死”；

工况6：第二层的支撑单元被“激活”；

工况7：基坑开挖至底。

3.3 支撑系统分析结果

分析结果表明：在荷载作用下，各工况下的支撑系统均处于弹性状态，支撑系统所受的土压力随着开挖深度的增加而加大。

1)不同工况下的应力分布图见图1～图4。

从图1～图4可以得出结论：

a.从图1可以看出在自重作用下土体沉降固结的应力分布，土体应力随着深度增加而不断增大，与土力学的理论相符。土体的沉降为1 700 mm，基坑底-16.9 m处的应力为181 kPa。

b.图2是第一层土已被开挖，而第一层支撑还未被浇筑时冠梁支撑的应力分布图，应力最大处发生在支护桩和冠梁支撑的连接位置，应力值为9.7 MPa，而跨中的应力值为0.4 MPa。

c.图3，图4为此时第一层和第二层支撑的应力分布。可以看出：在第一层支撑与支护桩连接位置处的应力比其他位置的要大；而第二层支撑应力的分布比第一层支撑的均匀，与X,Y向支撑相比，斜向支撑应力大，说明支撑效果较好；同时，在第二层支撑中，基坑阴角处应力比阳角处应力大，基坑边线夹角角度越小，应力越集中。图4中箭头所指处为应力最大位置，原因是由于此处位于基坑边线转角最大处。

2)各工况下位移云图见图5～图7。

从图5～图7可以得出结论：

a.地表沉降主要有两种典型形状：第一，由于桩体位移小，墙

外侧与土体之间摩擦力制约土体下沉，支护桩顶位移小，桩后土体沉降呈凹槽形；第二，处于软土地基时，桩体位移大，桩侧与土体间摩擦力丧失对桩后土体沉降约束，桩底向基坑内移动，桩顶位移小或向基坑外移动。计算后，本模型基坑变形是第二种情况，具体位移情况详见图5，图6和表3。

b.土体隆起：基坑坑底向上回弹。当开挖深度不大时，坑底的土体会发生垂直的弹性隆起。当围护墙底下为清孔良好的原状土或注浆加固土体时，围护墙随土体回弹而被抬高。图7表现出在土体开挖完成后回弹量为33 cm左右。

表3 各剖面支护桩位移 mm

4 结论及建议

分析最后得出结论，支撑系统始终处于弹性状态，能够保持正常工作。基坑监测项目主要包括地表沉降、地下管线沉降及位移、围护结构水平位移及测斜、支撑轴力、基坑外地下水位监测、坑底隆起、临近建(构)筑物沉降、土体压力的监测等。支撑在与支护桩连接位置的应力相对较大；基坑边线夹角角度越小，所受的应力就越集中，所以该处应布置较多的监测点。

[1] 高文华，杨林德，沈蒲生.软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析[J].土木工程学报，2001，34(5)：90-96.

[2] 俞建霖，龚晓南.深基坑工程的空间性状分析[J].岩土工程学报，1999，21(1)：21-25.

[3] 钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算[M].第2版.北京：中国水利水电出版社，1996.

[4] 孟秋英,王铁宏,陈耀光.对基坑支护结构土压力问题的探讨[J].建筑结构学报,1998,19(5):52-57.

[5] 娄奕红，俞三溥，王秉勇.基坑支护结构内力及变形动态分析[J].岩石力学与工程学报，2003，22(3)：462-466.

[6] 高文华，沈蒲生，杨林德.基坑开挖中地层移动的影响因素分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21(8)：1153-1157.

Finite element analysis of mechanical properties of retaining structure during foundation pit excavation

Qi Yinan

(EarthquakeEngineeringResearch&TestCenterofGuangzhouUniversity,Guangzhou510010,China)

This paper was based on the foundation pit project of the Yunnan cultural square. The impact of the supporting structure and soil on bracing structure was simulated by using the finite element software MSC.Marc. Elastic analysis was used on the concrete support, bracing pile and vertical bracing, elastoplastic analysis is used on soil. It was found that the inner brace system kept elastic under soil pressure, stress was large on the connection between bracing and the restraint pile, monitoring points should be assigned in smaller angle of foundation pit edge.

pit excavation， finite element analysis， foundation pit retaining， layout of monitoring points

2015-01-14

齐毅男(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)09-0056-02

TU470

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