Adina在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

張向東，張 成

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

深基坑支護(hù)屬臨時性工程，是綜合性的巖土工程難題，其技術(shù)復(fù)雜性遠(yuǎn)甚于永久性的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或上部結(jié)構(gòu)。如何在保障安全的前提下，進(jìn)行合理的基坑支護(hù)施工并對變形進(jìn)行監(jiān)測，使工程達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化，針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究性工作。應(yīng)宏偉等針對帶撐雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)建立模型進(jìn)行有限元分析;李東杰等［1-2］建立了復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部整體穩(wěn)定性安全系數(shù)計算模型;黃凱等［3］針對設(shè)有壓頂梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了準(zhǔn)空間計算模型;杜東寧等［4］以沈陽地區(qū)的深基坑工程為研究對象，進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析;陳宏東等［5］研究了填土基坑的破壞機(jī)理;李立軍［6］利用FLAC-3D模擬軟件，計算深基坑雙排樁支護(hù)工程在設(shè)置圈梁的情況下，其不同位置處樁頂位移與彎矩的變化;曾慶義等［7］通過對支護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理的探討推導(dǎo)出求解冠梁作用力的力學(xué)公式;王桂平等［8］在基坑數(shù)值模擬中考慮了時空效應(yīng)的作用;林鵬等［9］通過工程實(shí)例對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形進(jìn)行了數(shù)值分析，闡明了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)能最大程度的控制基坑工程變形。深基坑開挖工程的設(shè)計受到施工時諸多技術(shù)參數(shù)的影響，會在開挖過程中引起支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的變化以及基坑內(nèi)外土體的變形［10-11］，傳統(tǒng)的設(shè)計方法難以事先設(shè)定或事后處理。應(yīng)用有限元軟件可以考慮這些問題，較好的模擬現(xiàn)場狀況。本文結(jié)合工程實(shí)例，應(yīng)用Adina軟件良好的非線性分析功能對基坑開挖過程進(jìn)行模擬分析，并對變形位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，從而說明利用Adina大型有限元分析軟件模擬的可行性與可靠性。同時結(jié)合檢測與模擬結(jié)果分析不同支護(hù)參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)情況

該基坑施工區(qū)間內(nèi)地勢平坦，周圍無高層建筑物，安全等級二級，地下水位較高，無特殊地質(zhì)構(gòu)造，土層以及地下水分布情況如下:

(1)雜填土:由碎石、爐灰渣、砂土、粘性土等組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚0.6～1.2m;

(2)粉質(zhì)粘土:局部地段上部為細(xì)砂，呈松散狀態(tài)，層底埋深1.5～3.3m;

(3)中砂:黃褐色，局部地段上部為細(xì)砂，3m左右以上呈松散狀態(tài)，3m以下呈稍密狀態(tài)，層底埋深3.7～4.2m;

(4)粗砂:黃褐色，含少量卵礫石，一般呈松散狀態(tài)，4m以下呈中密狀態(tài)，層底埋深4.8～5.5m;

(5)礫砂:黃褐色，卵礫石含量30% ～40%，稍濕，一般呈密實(shí)狀態(tài)，層底埋深6.1～7.5m;

(6)圓礫:黃褐色，卵礫石含量60% ～80%左右，以粗砂充填，一般呈密實(shí)狀態(tài)，層底埋深8.2～14.5m;

(7)頁巖:底層埋深16.5～50m;

(8)施工場地地下水位埋深9.5～9.6m。

1.2 支護(hù)方案

根據(jù)工程情況以及水文地質(zhì)條件采用單排鉆孔灌注樁加冠梁、錨桿支護(hù)方式。按設(shè)計要求樁長l=13m，樁徑d=0.8m，支護(hù)樁中心距為1.4m，樁身混凝土等級為C20，采用三層錨桿，錨桿選用2Φ28鋼筋，間距1.1m，角度為30°，樁深入基坑開挖面以下2m，樁身縱向主筋采用12Φ22鋼筋，箍筋采用Φ10@200。樁頂設(shè)0.8m×1m的圈梁，混凝土強(qiáng)度等級C25;樁頂坡面及樁間土噴射強(qiáng)度等級為C20，厚度為300mm的混凝土。

1.3 水平位移監(jiān)測方案

為研究該施工區(qū)間內(nèi)基坑開挖后支護(hù)樁的水平位移變形規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地踏勘的情況，工程采用測斜裝置對支護(hù)樁體的深部水平撓度值和周圍土體的深部水平位移量進(jìn)行量測。測斜裝置由測斜管、測斜儀和數(shù)字式測讀儀組成。測斜管埋入墻體或者土體，通過測定測斜儀與垂直線之間的傾角的變化，求得不同深度部位的水平位移值。其計算原理如下:

第i段的相對水平位移為

式中:Li是第i段的垂直長度，通常取500mm;φi是第i段的相對傾角。將測斜管沿深度方向分為N段，編號自下而上進(jìn)行。設(shè)測斜管底端發(fā)生水平位移可忽略，即該點(diǎn)的水平位移偏差為零。則第n段深度處測斜管發(fā)生的水平位移偏差為

1.4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

鑒于不同位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移變形情況不同，拐點(diǎn)處的支護(hù)效果最佳，而跨中處支護(hù)樁的支護(hù)效果最差，所以選取具有代表性的1/2截面處的支護(hù)樁作為研究對象，采取分層開挖，各開挖工況如下:工況1，開挖0～1m;工況2，開挖1～2m;工況3，開挖2～5m，并打錨桿;工況4，開挖5～8m，并打錨桿;工況5，開挖8～11m，并打錨桿。監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移從開挖時的幾毫米逐漸增加到開挖結(jié)束后的幾十毫米，其中最大水平位移為44.6mm，出現(xiàn)在支護(hù)樁深度6m處，小于規(guī)范要求的60mm或0.006H(H為開挖達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后的基坑深度)，說明該基坑支護(hù)的設(shè)計和施工方案是合理的。

圖1 監(jiān)測樁水平位移隨深度變化曲線Fig.1 Curve of monitoring pile horizontal displacement changes with depth

2 Adina軟件建模

2.1 基本假定

(1)該基坑為方形，長邊長度與短邊長度接近，利用對稱性取半截面進(jìn)行分析。

(2)樁身以及圈梁按線彈性體考慮，且按剛性連接，土體采用D-P彈塑性本構(gòu)模型。

(3)土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)單元均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，不考慮樁土之間的粘著力和摩阻力。

(4)基坑開挖期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結(jié)的影響。

(5)支護(hù)樁-土之間接觸面假定為面-面接觸。

(6)假設(shè)土體為均質(zhì)土且抗拉強(qiáng)度為0。

2.2 計算模型及參數(shù)(表1、表2)

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)及計算參數(shù)Table 1 Soil physical and mechanical indexes and parameters

表2 錨桿和樁的計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of anchor and pile

2.3 建模計算

根據(jù)以上假設(shè)和各指標(biāo)參數(shù)，利用Adina軟件建立三維有限元計算模型，土體按照現(xiàn)場實(shí)際土層條件劃分7層，底面關(guān)閉Z方向的自由度，使其不產(chǎn)生豎向位移，本構(gòu)模型采用D-P彈塑性本構(gòu)模型，樁和錨桿采用線彈性材料，錨桿采用Rebar單元，該模擬開挖過程分5次開挖達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，基坑開挖過程通過單元生死來實(shí)現(xiàn)。由于土體在自重應(yīng)力下產(chǎn)生固結(jié)，為更精確地模擬實(shí)際，在建模結(jié)束后需要施加初始地應(yīng)力，在Adina中可通過對模型施加重力作用近似得到初始應(yīng)力場。計算模型如圖2所示。

圖2 模擬計算網(wǎng)格圖Fig.2 Simulation grid map

3 有限元計算結(jié)果及分析

3.1 有限元計算結(jié)果

隨著開挖深度的加深，支護(hù)樁的水平位移量也逐漸增大，開挖達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，深度為6m處支護(hù)樁的水平位移最大且位移范圍最廣，各開挖工況計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 樁的水平位移隨深度變化曲線Fig.3 Curve of pile horizontal displacement change with depth

由圖3可以看出，隨著開挖深度的變化，工況1到工況3的水平位移變化相差較大，工況3到工況5變化量逐漸減小，主要原因是工況3到工況5施加了錨桿。該圖直觀給出了支護(hù)樁水平位移隨開挖深度的變化規(guī)律，由于冠梁和錨桿的協(xié)同作用其位移最大值平均出現(xiàn)在樁身6m處，因此在施工過程中應(yīng)注意對樁身中部土體進(jìn)行適當(dāng)加固。

3.2 與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

為確保施工進(jìn)程的安全，在整個開挖過程中進(jìn)行全過程監(jiān)測，當(dāng)開挖達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后將支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的計算值和實(shí)測值進(jìn)行比較，由圖3可知，由于冠梁和錨桿的共同作用，最大位移出現(xiàn)在全樁長的中部，所以取深度6m處水平位移的實(shí)測值與計算值進(jìn)行比較。

由圖4可以看出隨著開挖深度的加深，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大，監(jiān)測位移值與計算值較為接近，前者基本保持在后者的90%以上，計算值是偏于安全的，因此可以說明運(yùn)用Adina大型有限元分析軟件對基坑的開挖過程進(jìn)行模擬是可行的。

圖4 深度6m處的水平位移計算值與實(shí)測值的對比Fig.4 Comparison of calculated and measured values of horizontal displacement at 6m

4 參數(shù)影響分析

以前述參數(shù)建立的模型作為參考算例，進(jìn)一步研究樁身、冠梁的抗彎剛度、被動區(qū)土體加固等因素對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，以下均選取工況5的計算結(jié)果進(jìn)行比較。

4.1 樁身抗彎剛度的影響

把參考算例中樁身的抗彎剛度減小作為算例1，其計算結(jié)果與參考算例的比較如圖5所示。

4.2 被動區(qū)土體加固的影響

參考算例中對被動區(qū)土體進(jìn)行了一定程度的加固，現(xiàn)將不加固的情況作為算例2進(jìn)行計算分析，結(jié)果與參考算例進(jìn)行比較如圖6所示。

圖5 樁身抗彎剛度對水平位移的影響Fig.5 Effect of pile flexural rigidity on the horizontal displacement

圖6 被動區(qū)土體加固對水平位移的影響Fig.6 Effect on the horizontal displacement of soil reinforcement at passive zone

4.3 冠梁抗彎剛度的影響

將參考算例中冠梁的抗彎剛度減小作為算例3，計算結(jié)果與參考算例進(jìn)行比較如圖7所示。

圖7 冠梁抗彎剛度對水平位移的影響Fig.7 Effect of pile flexural rigidity on the horizontal displacement

通過對不同算例下支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬分析可知:改變樁身、冠梁的抗彎剛度、是否對被動區(qū)土體進(jìn)行加固等因素對支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移有很大程度的影響，當(dāng)削弱以上三個影響因素時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移會有明顯增大，由圖7可以看出減小冠梁的抗彎剛度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化影響不明顯，通過對比可知是否對被動區(qū)土體進(jìn)行加固是影響支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的一個重要因素.因此，在施工過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對被動區(qū)土體進(jìn)行加固處理。

5 結(jié)論

(1)有限元模擬軟件的使用應(yīng)結(jié)合工程實(shí)例，根據(jù)不同的地質(zhì)情況和所要研究問題的不同簡化計算模型，進(jìn)行建模分析。本文各土層土體參數(shù)由現(xiàn)場原位測試得到，能夠較真實(shí)的反應(yīng)土體在施工中的各項力學(xué)性能，通過三維有限元模型的建立，樁-土接觸面采用面-面接觸，更能較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，因此對于具有類似地質(zhì)條件的深基坑工程的施工有一定的參考價值。

(2)樁身、冠梁的抗彎剛度、是否對被動區(qū)土體進(jìn)行加固3個因素對支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響較大，是否對被動區(qū)土體進(jìn)行加固是最主要影響因素，在施工過程中對被動區(qū)土體進(jìn)行加固是必要的。

［1］應(yīng)宏偉，初振環(huán)，李冰河，等.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算方法研究及工程應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2007，28(6):1147-1149.YING Hongwei，CHU Zhenhuan，LI Binghe，et al.Study on calculation method of retaining structure with double-row piles and its application［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(6):1147-1149.

［2］李東杰，萬林海，裴成玉.復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的FLAC-3D數(shù)值模擬及變形分析［J］.巖土工程界，2006，10(2):25-26.LI Dongjie，WAN Linhai，PEI Chengyu.And deformation analysis of composite soil nailing supporting structure of FLAC-3D numerical simulation ［J］.Geotechnical Engineering World，2006，10(2):25-26.

［3］黃凱，應(yīng)宏偉，謝康和.采用固定支撐法分析圈梁與支護(hù)樁的相互作用［J］.工業(yè)建筑，2002，32(8):36-38.HUANG Kai，YING Hongwei，XIE Kanghe.Interaction analysis of wale and retaining piles basedon fixed support assumption［J］.Industrial Construction，2002，32(8):36-38.

［4］杜東寧，張向東，楊逾，等.沈陽東森深基坑工程三維有限元分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，37(4):765-768.DU Dongning，ZHANG Xiangdong，YANG Yu，et al.3D finite element analysis of Dongsendeep excavation in Shenyang［J］.Journal of Guangxi University(Natural Science Edition)，2012，37(4):765-768.

［5］陳宏東，都華，馮林平，等.深挖填土基坑監(jiān)測及安全性分析［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，35(2):205-208.CHEN Hongdong，DU Hua，F(xiàn)ENG Linping，etal.Monitoring and security analysis of deep pits［J］.Journal of Guangxi University(Natural Science Edition)，2010，35(2):205-208.

［6］李立軍.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中圈梁空間效應(yīng)的數(shù)值模擬分析［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報，2012，32(5):447-448.LI Lijun.Numerical analysis of ring beam’s spatial effects in retaining structure with double-row piles［J］.Transactions of Beijing Institute of Technology，2012，32(5):447-448.

［7］曾慶義，劉明成.支護(hù)樁圈梁的作用機(jī)理與計算分析［J］.巖土力學(xué)，1995，16(2):74-81.ZENG Qingyi，LIU Mingcheng.Mechanism and calculating analysis for ring beam of soldier piles［J］.Rock and Soil Mechanics，1995，16(2):74-81.

［8］王桂平，劉國彬.考慮時空效應(yīng)的軟土深基坑變形有限元分析［J］.土木工程學(xué)報，2009，42(4):116-118.WANG Guiping，LIU Guobin.Finite element analysis of the deformation of deep excavations considering timespace effect in soft soils［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42(4):116-118.

［9］林鵬，王艷峰，范志雄，等.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在軟土基坑工程中的應(yīng)用分析［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32(S2):333-334.LIN Peng，WANG Yanfeng，F(xiàn)AN Zhixiong，etal.Application and analysis ofretaining structure with double-row piles in soft ground excavation engineering［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2):333-334.

［10］Finno R J，Voss F T，Rossow E，et al.Evaluating damage potential in buildings affected by excavations［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，2005，131(10):1199-1210.

［11］Zdravkovic L，Potts D M，ST John H D.Modelling of a 3D excavation in finite element analysis［J］.Geotechnique，2005，55(7):497-513.