深基坑开挖与支护的有限元数值分析

刘兰兰 李晓乐 长春建筑学院 130607



深基坑开挖与支护的有限元数值分析

刘兰兰 李晓乐 长春建筑学院 130607

【文章摘要】

本文以鸿升深基坑工程为背景，针对基坑开挖过程中支护结构的变形及土压力的性状进行了研究，并运用GTS大型有限元软件对实际工程在分步开挖过程中的位移场、内力的分布进行了分析，为同类工程提供有意义的参考。

【关键词】

基坑开挖；有限元；分析

0 前言

基坑工程是一个具有鲜明的时代特征而又历史悠久的工程问题。随着经济的不断发展地面可用土地的紧张，地下工程大量出现，对基坑工程特别是深基坑工程提出了更高的要求，随之出现了许多工程事故，需要设计人员从一个新的高度度研究这一课题，同时许多新技术新方法也不断的涌现。有限单元法由于能够适应各种复杂的情况，能够将工程本身与周围环境结合起来考虑，使得其在基坑工程中的应用越来越广泛。

1 工程概况

本工程位于长春市，建筑物主体部分地面以上20层，地下2层，共63m高。

1.1场地条件

图1　计算简图

拟建基坑开挖深度9m，场地土质信息如表1所示。

表1　土的基本物理力学性质

1.2支护方案

该工程采用灌注桩加单层预应力锚杆的支护结构形式，其中灌注桩直径为600mm，长为14m，水平间距为1.5m，锚杆参数如表2所示。

表2　锚杆的物理参数

桩锚支护结构布置如图1所示。

2 计算结果

2.1模拟方案

为了保证基坑周边建筑及地下管线的安全，施工过程需进对基坑的支护结构及周围土体的变形进行控制，因此采用合适的分布开挖的施工至关重要。本文针对基坑开挖中常用的分步开挖方法应用大型有限元软件迈达斯，将基坑的开挖模拟分六步进行。首先计算开挖之前的初始应力场（此步骤位移清零），第二步进行放坡开挖，第三步进行支护桩的施工，第四部开挖至锚杆下0.5m处，第五步进行锚杆施工，最后一步开挖至基坑底面。

在进行基坑支护结构的数值模拟时按二维问题处理，一般是偏于安全的，所以本文采用二维有限元法来模拟本基坑工程。

2.2迈达斯GTS计算结果

考虑到基坑开挖的影响范围，本基坑宽68m，进行有限元模拟计算时取计算宽度为140m，基坑开挖深度9m，取计算深度为25m。在进行模拟计算时，为尽可能接近实际工程情况，支护桩根据其受力特点，选用梁结构来模拟，锚杆固定段采用软件中的植入式桁架来模拟锚杆锚固体与周围土体的摩擦力。边界条件选取为地面支撑，网格划分如图3所示。

图3　网格划分

本过程分3步进行开挖支护。分三个阶段进行开挖，第一阶段开挖深度为1米的放坡开挖；第二阶段开挖至6.5米，即锚杆下0.5m处，并设置一道锚杆；第三阶段开挖到底面。

3 GTS计算分析

本文分别运用了迈达斯GTS软件对鸿升基坑工程进行分析计算，下面重点从钻孔灌注桩在不同工况下的侧移情况进行分析。

①最大位移值为32.8mm，位于基坑地面以下6m左右；

②在GTS计算中，围护结构在每次开挖后桩底都有一定的侧移。

【参考文献】

[1]张建标.混凝土钻孔灌注桩支护结构的技术分析:(硕士学位论文).浙江:浙江大学，2007.

[2]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):1153一1157

[3]徐奴文，李俊杰.灌注桩深基坑的有限元计算及影响因素分析.铁道建筑技术，2007(6):24一27.