基于ANSYS的軟土基坑支護(hù)工程仿真應(yīng)用研究

儲(chǔ)學(xué)能 陳犇 代建華

由于軟土基坑特殊的區(qū)域地質(zhì)條件、破壞特征的多變性和復(fù)雜性,對(duì)基坑支護(hù)和變形控制帶來(lái)諸多的不利因素,目前軟土基坑的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都仍沿用古典土壓力理論(庫(kù)侖、朗金土壓力理論),實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)方法大都偏于保守[2],而且此種設(shè)計(jì)對(duì)土體變形時(shí)效無(wú)法加以考慮。隨著土方開挖,支護(hù)結(jié)構(gòu)體系和外部荷載不斷變化,基于軟土壓縮性較大、抗剪強(qiáng)度低、流變性十分顯著等特點(diǎn),利用有限元程序模擬整個(gè)施工過(guò)程,并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析具有極其重要的意義。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本原理

基坑剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)值模擬是根據(jù)彈性力學(xué)中應(yīng)力應(yīng)變及虛功原理[2],應(yīng)用應(yīng)力場(chǎng)的疊加原理,將真實(shí)的連續(xù)結(jié)構(gòu)或介質(zhì)用有限個(gè)僅在節(jié)點(diǎn)處鉸接聯(lián)系的離散單元的組合體來(lái)代替,并使這些單元按變形協(xié)調(diào)條件聯(lián)系,通過(guò)建立和求解整體平衡方程得出節(jié)點(diǎn)位移,并根據(jù)應(yīng)變、應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系分別得出相應(yīng)的成果。

1.2 控制方程

本文非線性問(wèn)題的求解即采用混合法,每級(jí)荷載增量作用的迭代均采用完全Newton-Raphson迭代方法[7]。

求解平衡方程:

在每級(jí)荷載增量的迭代過(guò)程中,為了終止迭代運(yùn)算,必須確定一個(gè)收斂標(biāo)準(zhǔn)。本文取節(jié)點(diǎn)不平衡力大小作為收斂判別的標(biāo)準(zhǔn)。即:

其中,αF為力收斂公差,計(jì)算中取為 1%。

1.3 數(shù)值分析

巖土和用于支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土等材料都屬于顆粒狀材料,此類材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度,且材料受剪時(shí),顆粒會(huì)膨脹,此處采用彈塑性模型(Druker-Prager模型)可得到較為精確的結(jié)果。破壞準(zhǔn)則采用Willianm-Warnke破壞準(zhǔn)則。

支護(hù)結(jié)構(gòu)所用混凝土和巖土單元均采用Solid45單元,由于考慮樁土共同作用,隨著土體開挖,圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力不斷增大,一般情況下要打開大位移且設(shè)置牛頓—拉普森選項(xiàng)為Full N-R。

2 工程應(yīng)用

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)及巖土參數(shù)

采用ANSYS有限元分析方法,針對(duì)某基坑剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)與相關(guān)巖土參數(shù)進(jìn)行了支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及變形計(jì)算。模擬范圍和計(jì)算參數(shù)如下:基坑圍護(hù)采取鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)(見圖1)?；娱_挖坑深6.00 m,基坑尺寸為40 m(短邊)×80 m(長(zhǎng)邊),基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ 600@1 000鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)為15.00 m,樁頂設(shè)置800 mm×500 mm冠梁,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。計(jì)算時(shí)考慮施工超載15 kPa。

2.2 有限元計(jì)算

在有限元模型中,巖土和圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)的Solid45實(shí)體單元模擬,實(shí)體單元采用掃掠(SWEEP)劃分方法將實(shí)體劃分為相對(duì)規(guī)則的六面體單元。因該基坑為規(guī)則的對(duì)稱形狀,通過(guò)ANSYS有限元程序計(jì)算,將1/4基坑數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行提取計(jì)算分析。

2.3 成果分析

通過(guò)軟土基坑數(shù)值模擬,得到開挖后基坑長(zhǎng)邊方向不同位置處灌注樁樁體的位移值(X為距角點(diǎn)的距離),見圖2;同時(shí)得到基坑長(zhǎng)邊方向跨中位置灌注樁樁體沿深度方向的彎矩,見圖3。

由圖2可知,隨著距角點(diǎn)距離的增大,樁體水平位移不斷增大,即跨中位移呈現(xiàn)最大值,并且隨著開挖深度的增加,樁體中下部的位移發(fā)展很快,開挖終了時(shí),最大的側(cè)向位移發(fā)生在距樁頂6 m附近;由圖3可知,跨中位移最大處灌注樁的最大彎矩值出現(xiàn)在距樁頂4 m處,之后隨深度的增加彎矩值逐漸減小。

為防止土體被擾動(dòng)后產(chǎn)生較大變形[3],施工分三步開挖,每次開挖2 m。基坑開挖后,由于基坑外圍土體發(fā)生松動(dòng),圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形且應(yīng)力增大,基坑外圍地表產(chǎn)生沉降、位移。

隨著開挖深度的增加,灌注樁受力逐漸增大,開挖結(jié)束時(shí),最大應(yīng)力發(fā)生在距樁頂4 m以下;由圖4可知,地表塑性區(qū)向后和向深部延伸,同時(shí)在坑底也開始出現(xiàn)塑性區(qū),分析其原因?yàn)橛捎谲浲恋膲嚎s性較大,基坑開挖后,側(cè)向變形受阻而產(chǎn)生了一個(gè)更深部的旋轉(zhuǎn)滑移面和坑底隆起。

2.4 實(shí)例驗(yàn)證

將基坑長(zhǎng)邊6根灌注樁水平位移計(jì)地表沉降數(shù)值模擬成果和施工中實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證該數(shù)值模擬方法的可靠性。

由數(shù)值模擬成果和基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可看出,基坑模擬數(shù)據(jù)和施工中的監(jiān)測(cè)結(jié)果相差不大,變形趨勢(shì)基本一致。

現(xiàn)將長(zhǎng)邊跨中位移最大處的灌注樁沿深度方向的水平位移數(shù)值模擬成果值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,見圖5。

由圖5可以看出,由于軟土的流變特性,樁的最大位移并非發(fā)生在樁頂,而是發(fā)生在距樁頂3 m以下部分,與實(shí)際情況相符,所以三維有限元模擬分析成果和基坑真實(shí)情況在整體上相吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

1)考慮軟土流變性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及合理選擇支護(hù)形式具有重要作用;2)采用有限元工具軟件中結(jié)構(gòu)分析功能可以簡(jiǎn)便、精確的計(jì)算分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體各部分應(yīng)力應(yīng)變及位移等問(wèn)題,提供能夠比較直觀反映實(shí)際情況的云圖,為設(shè)計(jì)施工等提供理論依據(jù);3)采用適應(yīng)性較強(qiáng)的有限元法模擬基坑整個(gè)施工過(guò)程,對(duì)灌注樁所受內(nèi)力作準(zhǔn)確計(jì)算,可以對(duì)其應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系為工程進(jìn)行適時(shí)支護(hù)提供指導(dǎo)。

[1] 陳忠漢,黃書秩,程麗萍.深基坑工程[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:150-158.

[2] 楊光華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,2003:50-53.

[3] JGJ 120-99,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] 賴永標(biāo),胡仁喜,黃書珍.ANSYS11.0在土木工程中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

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[6] 張引平.淺談深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2004(5):1-3.

[7] 王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2000.