网站原创摘 要：深基坑工程支护设计逐渐成为城市建设中岩土工程的重要内容之一.由于深大基坑工程求解问题的复杂性,以及复杂的加荷及边界条件,使得精确求解很困难.以某深大基坑工程为背景,运用理论计算和数值模拟相结合的方法,对深基坑工程的支护结构进行分析研究.通过得到的该深基坑支护结构变形及内力变化情况的分析,给出深基坑开挖过程中支护结构的变形规律及内力变化特征,为深大基坑工程的施工和设计提供参考与依据.
关 键 词：基坑工程；数值分析；有限元；位移；应力
基坑工程设计中的深大基坑工程综合了较为复杂的结构设计与岩土工程设计问题,基坑支护结构的变形与应力分布和周围土体沉降位移,工程师们已有的经验已经不能满足一些大型岩土工程的设计和计算,因此三维有限元数值分析的方法越来越多地被人们学习和应用.
1工程设计情况
本基坑工程基坑开挖深度在20.3-23.6m之间.基坑大致呈长方形,长边最大尺寸约119m,短边最大尺寸处约70m,本工程建筑±0.000相当于黄海高程9.700m.基坑采用“桩撑+桩锚+桩间旋喷桩止水帷幕”相结合的支护形式.根据岩土工程勘察报告,结合周边地区同类工程经验来确定土体具体参数.
2基坑支护结构与土体三维有限元建模
基坑的支护方式采用内撑式排桩与锚拉式排桩相结合的基坑支护结构型式：除出土坡道部位以外,基坑上部设两道钢筋混凝土支撑,下部设两道预应力锚索.
基坑支护结构的三维有限元建模中,总共包含七种结构构件,压顶梁,腰梁,立柱,预应力锚索,内支撑,支护桩,锚杆.建模的具体方法参考本章第一节的有限元分析,先通过CAD图纸画出基坑的支护结构的几何形状,然后根据结构构件的设计要求输入材料参数包括混凝土强度,预应力锚索张拉力等.
在本工程模拟中,土体的本构模型采用能反映土体非线性特性的Drucker-prager（简称D-p理想弹塑性模型）.
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根据施工组织设计和现场的施工实际情况,把整个基坑施工工序分为十五个,原始场地初始状态,开挖土层0-2米,开挖2-4米,开挖4-6.7米,一层内支撑+腰梁施工,开挖6.7-9.7米,开挖9.7-12.7米,开挖12.7-14.2米,二层内支撑+腰梁施工,开挖14.2-16.2米,开挖16.2-17.3米,一层预应力锚索+锚索腰梁施工,开挖17.3-19.3米,开挖19.3-20.8米,二层预应力锚索+锚索腰梁施工,开挖20.8-23.8米.
3计算结果分析
计算结果我们重点放在支护结构的水平位移和受力情况,以及基坑周围土体的水平位移和沉降大小.在此我们列出四种计算结果进行对比和分析.
观察图一计算结果可得知,基坑开挖过程开挖到9.7m时,基坑周围的支护桩的最大水平位移为25.3mm略大于监测值21.08mm,而小于监测方案的预警值40mm,经过比对监测的基坑工程水平位移数据和计算机建立的模型数据,基坑支护结构与周围土体的水平位移的趋势基本吻合实际施工情况,而且也符合相关经典理论,基坑开挖较浅还没设置支撑时,无论是刚性墙体还是柔性墙体,墙体侧向变形均表现为三角形分布,墙顶位移最大,墙体绕底部以下一点向坑内倾转,墙体中部向坑内突出.
基坑的三维空间效应也在本模型中被做了很好的诠释,基坑三维空间效应即坑角效应,检测设基坑边长尺寸趋近于无穷大,无论基坑形状如何,对于任一边,其变形都可以等效为平面应变状态,而不受基坑角部影响.此时无论是基坑阴角还是阳角,角部对大部分边长范围内的影响可以忽略,角部影响仅在基坑极小范围内起作用,但实际工程中,基坑尺寸有限,形状也受限制极不规则,因为坑角效应在汉国基坑工程中不容忽视即为明显,阴角部分因相邻的墙体及周围土体的互相约束作用使得位移较小,如上图所示,四角部位几乎趋近于周围土体的颜色蓝色即水平位移趋近于0；相反,阳角部位则稳定性差很多,如本模型中在基坑周长中段部分处于一百八十度左右位置的支护桩其水平位移普遍呈红色而接近于20mm甚至大于20mm,数值较大值得关注和重视.
观察图二基坑竖直方向的位移可以对比周围土体的沉降.首先基坑的周围土体沉降大都呈蓝色分布于4mm左右,都远小于监测预警值20mm,与现场测得数值基本吻合,加上前面对于基坑支护结构的水平位移分析说明汉国基坑工程建模很好的模拟了实际施工情
况,整个基坑工程的施工都处于安全稳定的状态.通过数值计算和工程实测结果的综合分析,欧章煜教授曾对于坑外土体的沉降模式给予过分类,凹槽型和三角形两种基本模式,而汉国基坑模型基本符合了三角形模式,即坑外土体的沉降最大值或水平位移的最大值均发生于维护墙边上,且随着相对围护墙距离增大而逐渐减小.而Mana&Clough通过对工程实测数据分析证明：归一化得墙体横向位移最大值与坑外地表沉降最大值存在一定的比例关系,这也说明了坑外地表的变形同墙体的位移存在着紧密联系.
4结语
本文以深圳汉国商业基坑为工程背景,采用三维有限元模拟的计算方法运用MIDAS软件,结合现场监测,进行了深基坑支护结构变形规律和内力变化情况的讨论和研究.通过一系列的工作,在现有的支护体系和监测方案下,汉国商业基坑工程已经顺利施工完毕,说明基坑支护设计方案可靠,监测方案可行,三维有限元数值模拟深大基坑工程的工作也得到了对比和印证,证明在类似的基坑工程设计与施工中,搜集到足够的勘察,设计,施工,监测信息的前提下,三维有限元数值模拟可以在一定程度上去真实的反应施工实际状况.现场监测的数据与有限元模型基本吻合,在对比了许多相关资料与文献之后,工程的施工与计算也对照反应了很多经典的理论.需要指出的是,监测数据以及三维有限元数值模拟的结果都表明,支护结构受力以及变形都小于警戒值,说明该深基坑的支护结构设计偏于保守.