基于ABAQUS对金飞龙大厦基坑支护的稳定性分析

宋 永 忠

(威海建设集团股份有限公司，山东 威海 264200)



基于ABAQUS对金飞龙大厦基坑支护的稳定性分析

宋 永 忠

(威海建设集团股份有限公司，山东 威海 264200)

以南京金飞龙汽车贸易大厦项目基坑工程为研究对象，通过ABAQUS有限元软件，分析了基坑在钻孔深拌桩挡墙支护下，开挖过程中的位移及稳定性，结果表明：基坑顶部位移的增加随着开挖深度呈三个阶段变化，基坑开挖结束时基坑顶部到底部位移逐渐减小。

基坑支护，排桩，ABAQUS，稳定性

1 工程概况

南京金飞龙汽车贸易大厦项目基础基坑由于基坑开挖面积较大，同时根据现场的地勘报告，基坑开挖范围内土体主要为新近填土和软弱土，软弱土主要为淤泥质粉质粘土，软～流塑状，土体强度降低，具有流变性和触变性，土体性质极差，因此在基坑开挖过程中基坑边坡的稳定性分析至关重要。

2 ABAQUS单元生死功能

基础工程基坑开挖问题较为复杂，常规方法处理起来也很困难，ABAQUS具有强大的接触面处理功能，能正确的模拟支护结构物与土体之间的相互作用，能处理复杂的边界条件和荷载，能对支护结构的内力，变形和土体位移进行模拟分析。

2.1 单元的移除

ABAQUS有限元软件可以在某个分析步中对模型进行移除和激活，在移除土体单元前，软件会自动计算和剩余土体间的接触力，接触力会在移除分析步中逐渐减少到0，在移除分析步开始时，移除土体单元不再参与模型计算，但到分析步结束时，移除单元才不对模型分析产生影响。

2.2 单元的激活

由于ABAQUS在分析步计算过程中不能再对模型进行修改，因此在每一个分析步计算前计算单元就必须存在于模型中，然后在初始分析步将其移除，在其计算分析步再将其激活，软件提供2种不同的单元激活方式：无应变激活和有应变激活。

2.3 有限元强度折减法

边坡稳定性评价方法主要有极限平衡法和有限元法，以前的有限元数值分析计算中不能直接得出边坡的安全系数，主要通过边坡的位移场、应力场、塑性区及其他特征值等来间接评判，而强度折减法可以通过有限元数值计算直接获得边坡的安全系数，其主要原理为：在边坡稳定性计算过程中，不断降低边坡土体的抗剪强度，使边坡达到极限状态，此时边坡土体抗剪强度折减系数就等同于边坡安全系数。

其主要原理计算公式如下：

Cm=C/Fr

(1)

Ψm=arctan(tanΨ/Fr)

(2)

其中，C，Ψ均为土体实际抗剪强度参数值；Cm，Ψm均为边坡土体极限状态抗剪强度参数值。

3 基坑实例分析

论文以南京金飞龙汽车贸易大厦项目基础基坑为工点，利用ABAQUS有限元数值模拟分析该D—D断面基坑在钻孔搅拌桩挡墙支护下开挖基坑的稳定性。计算基坑支护模型见图1。

3.1 模型建立

依据现场基坑设计图纸，建立有限元模型，其网格划分见图2。采取平面应变单元进行计算。

3.2 模型基本假定及边界条件

1)基本假定。

a.基坑开挖过程中会降低地下水到坑底以下，因此计算基坑边坡的稳定性时暂不考虑地下水的影响；b.对基坑边坡土体进行分层计算，但假设各层土体性质均匀且各向同性，土体破坏准则满足摩尔—库仑准则；c.基坑边坡为带状结构，纵向尺寸比横向尺寸大很多，且重点研究基坑在钻孔深拌桩挡墙支护下开挖基坑的稳定性，将边坡模型简化为平面应变模型。

2)边界条件。

约束基坑模型初始左、右侧水平位移，模型底部水平和竖向位移；边坡坡面为自由边界条件。

3.3 土体计算参数

根据现场地勘及室内实验，基坑计算土体力学参数如表1所示。

表1 材料力学参数

3.4 计算结果分析

经过ABAQUS设置生死单元分析步模拟现场施工开挖，计算施工开挖至设计高程，得出基坑响应云图，对基坑的稳定性进行分析。

3.4.1 基坑水平位移图

经过有限元数值模拟计算，基坑施工完成后土体水平位移如图3所示。

从图3可以看出，基坑开挖结束后，土体最大位移产生在基坑顶部，最大为2.7 cm，且从顶部到基坑底部位移逐渐减小。为了得出开挖过程与土体位移的关系，选取顶部最右边点为监测点，得出其随着基坑开挖深度的位移，见图4。

从图4可以看出，监测点水平位移随着基坑开挖深度的增加而增加，但呈现出三个阶段，当开挖深度小于1 m，位移随着开挖深度的增加增长缓慢，当开挖深度大于1 m且小于3 m，位移随着开挖深度近似成正比例变化关系，当开挖深度大于3 m，位移随着开挖深度的增加而迅速增加，因此要注意观察基坑开挖中位移的临界值。

3.4.2 基坑竖向位移图

经过有限元数值模拟计算，基坑施工完成后土体竖直位移见图5。

从图5可以看出，基坑开挖结束后，土体最大位移产生在基坑底部，最大为5 cm，主要是基坑开挖的卸荷作用引起。

3.4.3 基坑塑性区开展图

经过有限元数值模拟计算，基坑施工完成后土体塑性区开展图如图6所示。

从图6可以看出，基坑开挖结束后，在基坑顶部和底部产生局部塑性区，顶部位移主要是水平位移增加导致，底部位移主要是卸荷产生，但是支护结构还处于弹性阶段，说明基坑处于安全状态。

4 结论

本文以南京金飞龙汽车贸易大厦项目基坑工程为研究对象，基于ABAQUS有限元软件数值模拟基坑在钻孔深拌桩挡墙支护下开挖过程的稳定性分析，得出以下结论：

1)基坑开挖结束后，土体最大位移产生在基坑顶部，且从基坑顶部到底部位移逐渐减小；

2)基坑开挖结束后，土体最大位移产生在基坑底部，主要是基坑开挖土体的卸荷作用引起；

3)基坑顶点水平位移随着基坑开挖深度的增加而增加，但呈现出三个阶段，缓慢增长阶段、正比例变化关系、急剧增加阶段，因此要注意观察基坑开挖中位移的临界值。

On stability analysis of foundation pit support of Jinfeilong Mansion based on ABAQUS

Song Yongzhong

(WeihaiConstructionGroupCo.,Ltd,Weihai264200,China)

With ABAQUS, the finite element software, the paper takes the foundation pit project of Jinfeilong Automobile Trade Mansion in Nanjing as the research object, analyzes the displacement and stability under the drilling deep mixing wall and during the excavation and proves by the result that the top displacement of the foundation pit increases along with the three changes of the excavation depth while the displacement between the top and bottom of the foundation pit reduces gradually in the end of the foundation pit excavation.

foundation pit support, campshed, ABAQUS, stability

1009-6825(2017)07-0064-03

2016-12-14

宋永忠(1973- )，男，工程师

TU463

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