Adina在基坑支护结构稳定分析中的应用

陈千

摘 要：开挖后的基坑，桩后土体有向坑内移动的趋势，对基坑本身以及周围建筑物将产生不利影响，因此选择合适的支护方案是确保工程安全顺利进行的关键。本文以某深基坑工程实例为基础，采用单排钻孔灌注桩加冠梁、锚杆支护形式，通过现场原位测试获得土体的各项物理力学参数，应用 Adina 大型有限元分析软件对该工程的基坑开挖过程进行模拟分析，说明在不同情况下随着基坑开挖深度的变化支护结构的变形情况。

关键词：岩土工程;Adina 软件;深基坑;支护结构;水平位移

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。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。

一、工程概况

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。

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。

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Δ i = L i sinφ i 式中：L i 是第 i 段的垂直长度，通常取 500mm;φ i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Δ = ∑ Δ i =∑ L i sinφ i。

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 為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。

二、 Adina 软件建模

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.计算模型及参数

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。

三、有限元计算结果及分析

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，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。

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，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。

四、结语

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。

参考文献：

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