樁圍復(fù)合式地下倉(cāng)施工過(guò)程模擬

郭明利孫樹(shù)杰許啟鏗丁永剛

（1.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河南鄭州 450044；2.中建（鄭州）城市開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，河南鄭州 450021；3.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南鄭州 450001）

樁圍復(fù)合式地下倉(cāng)施工過(guò)程模擬

郭明利1孫樹(shù)杰2許啟鏗3丁永剛3

（1.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河南鄭州 450044；2.中建（鄭州）城市開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，河南鄭州 450021；3.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南鄭州 450001）

針對(duì)初步設(shè)計(jì)后的樁圍復(fù)合式地下倉(cāng)結(jié)構(gòu)，本文在ABAQUS中進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了空間m法，建立了支護(hù)樁與腰梁共同作用的三維計(jì)算模型，得到了基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)樁、腰梁及內(nèi)襯鋼板的內(nèi)力和變形，以及土彈簧的變形，校核了支護(hù)樁的強(qiáng)度和剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)措施，對(duì)設(shè)計(jì)方案起到有力的支持和補(bǔ)充作用。

樁圍復(fù)合式地下倉(cāng)；支護(hù)結(jié)構(gòu)；三維m法；施工過(guò)程模擬

地下倉(cāng)由于建造在常年溫度20℃以下的淺層地表下，在儲(chǔ)糧品質(zhì)方面具有地上糧倉(cāng)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，將是大力推廣的倉(cāng)型。

支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形計(jì)算是深基坑工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。沈健，王建華等在平面彈性地基梁法的基礎(chǔ)上發(fā)展了支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算方法［1］。王建華、范巍等進(jìn)一步完善了空間m法，并分析了多個(gè)支護(hù)形式為地下連續(xù)墻的深基坑工程［2］。樁圍復(fù)合式地下倉(cāng)是一種新型地下結(jié)構(gòu)［3］，結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示，本文在ABAQUS中進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了空間m法，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過(guò)程模擬，得到開(kāi)挖過(guò)程中結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)力和變形，加強(qiáng)設(shè)計(jì)中的薄弱部位，確保新型結(jié)構(gòu)的安全。

1 工程概況

該地下倉(cāng)計(jì)劃建造在河南金地集團(tuán)糧食物流園區(qū)，根據(jù)勘察報(bào)告，土層參數(shù)如表1所示，按水位1.0m設(shè)計(jì)。該地下倉(cāng)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，防水等級(jí)一級(jí)。整個(gè)基坑支護(hù)選用灌注樁與水平環(huán)向布置的腰梁組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)、外同時(shí)降水。灌注樁和水平腰梁組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)充當(dāng)了基坑開(kāi)挖時(shí)支護(hù)，及地下倉(cāng)的外圍護(hù)主體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的全面結(jié)合，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

圖1 樁圍復(fù)合式地下倉(cāng)平面圖

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

2 空間m法關(guān)鍵步驟

2.1 參數(shù)取值

2.1.1 土彈簧剛度系數(shù)的計(jì)算

基坑開(kāi)挖面以下，土彈簧單元的水平向剛度可按下式計(jì)算［4］：

2.1.2 比例系數(shù)m的計(jì)算

m值的確定按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012中式（4.1.6）

2.2 水土壓力計(jì)算

按《規(guī)程》規(guī)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)外荷載在開(kāi)挖面以上為采用三角形分布的朗肯主動(dòng)土壓力，開(kāi)挖面以下為矩形分布的附加壓力。

2.3 施工工況的受力分析

本工程豎向設(shè)置五道腰梁，遵循先開(kāi)挖后支撐的原則，各工況如下：

2.3.1 開(kāi)挖至第一道腰梁底標(biāo)高，計(jì)算此時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移；

2.3.2 澆筑第一道腰梁，待混凝土具有一定強(qiáng)度后，開(kāi)挖至第二道腰梁底標(biāo)高，核算水土壓力，對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移進(jìn)行分析；

2.3.3 依次澆筑第二—五道腰梁，開(kāi)挖并分析該工況的內(nèi)力和側(cè)移。

2.4 操作流程

2.4.1 按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案建立三維計(jì)算模型，樁、冠梁、腰梁采用三維梁?jiǎn)卧M，坑內(nèi)土體采用土彈簧單元模擬，坑外土體以荷載形式施加于樁上。

2.4.2 使用ABAQUS中的Mode l Change r emoveadd功能模擬施工工況，并根據(jù)工況更新土彈簧剛度和坑外荷載。

3 有限元計(jì)算模型

按上面的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案建立三維有限元模型。對(duì)采用灌注樁的支護(hù)樁、冠梁、腰梁用B31單元來(lái)模擬；坑內(nèi)土體采用SPRINGA彈簧單元模擬，彈簧一端與支護(hù)樁連接，另一端施加固定約束；坑外土體以線荷載形式施加在樁上。冠梁在樁最頂部，支護(hù)樁、冠梁采用C30混凝土，材料屬性采用線彈性模型，彈性模量30Gpa，泊松比0.2。腰梁采用C40混凝土，彈性模量32.5Gpa，泊松比0.2。

分析步按下列工況進(jìn)行設(shè)置：工況①：開(kāi)挖至-4.400m并設(shè)置腰梁；工況②：開(kāi)挖至-8.800m并設(shè)置腰梁；工況③：開(kāi)挖至-13.200m并設(shè)置腰梁；工況④：開(kāi)挖至-17.600m并設(shè)置腰梁；

當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完后，支護(hù)結(jié)構(gòu)成為主體結(jié)構(gòu)，外部土壓力按靜止土壓力計(jì)算。使用文本式建模，通過(guò)inp文件完成不同工況下模型修改。

為了簡(jiǎn)化分析，采用如下基本假定［5］：

3.1 樁身剖面是理想的圓形，在軸向均布荷載作用下，采用軸對(duì)稱模型計(jì)算；

3.2 樁基周?chē)耐翆訛槌蓪臃植?，同一土層沿結(jié)構(gòu)周?chē)鸀橥穸确植?，每層土皆為均質(zhì)、各向同性體。

4 結(jié)果對(duì)比及分析

4.1 通過(guò)查看各施工工況的支護(hù)樁樁身應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)支護(hù)樁受力薄弱部位。圖2為支護(hù)樁變形最大時(shí)結(jié)構(gòu)的變形，最大變形在第五道腰梁和坑底之間，變形量71.79mm，接近于0.22%H（H為基坑深度），與徐中華［6］研究的支護(hù)樁變形趨勢(shì)相吻合，灌注樁的最大變形與基坑深度之間的關(guān)系大致呈0.1%H與1%H。

圖2 支護(hù)樁Mi s e s應(yīng)力分布圖

表2 支護(hù)樁的應(yīng)力、應(yīng)變及變形

圖3 支護(hù)樁的側(cè)移

表2統(tǒng)計(jì)出各施工工況下支護(hù)樁的內(nèi)力和變形。對(duì)比C30混凝土的材料性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)最大拉應(yīng)變很??；而最大壓應(yīng)變從工況一開(kāi)始就超過(guò)了混凝土極限壓應(yīng)變0.0033，即支護(hù)樁受壓側(cè)首先破壞，應(yīng)采用更高級(jí)別的混凝土或者增大樁身截面；最大拉應(yīng)力為0.93MPa，接近抗拉強(qiáng)度1.43MPa；最大壓應(yīng)力為0.92MPa，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度14.3Mpa。

在ABAQUS的計(jì)算結(jié)果中提取施工過(guò)程中支護(hù)樁的變形和彎矩，再用MATLAB對(duì)變形和彎矩進(jìn)行整理，得到支護(hù)樁變形、彎矩與基坑深度的趨勢(shì)圖。通過(guò)圖4可以發(fā)現(xiàn)支護(hù)樁的最大變形發(fā)生在坑底，尚未設(shè)置腰梁時(shí)。通過(guò)圖5可以發(fā)現(xiàn)支護(hù)樁彎矩與基坑深度的變化趨勢(shì)，澆筑腰梁前，彎矩為同一方向；澆筑腰梁后，由于腰梁給支護(hù)樁提供了較強(qiáng)的支撐，樁身出現(xiàn)了較明顯的反向彎矩。

圖4 支護(hù)樁側(cè)移與基坑深度的變化趨勢(shì)

圖5 支護(hù)樁彎矩與基坑深度的變化趨勢(shì)

4.2 圖6為第一道腰梁的變形圖，揭示了腰梁將各支護(hù)樁很好的連接成整體，符合曾慶義［7］等對(duì)支護(hù)樁與樁頂腰梁關(guān)系研究結(jié)果。支護(hù)樁和腰梁相結(jié)合組成的樁圍式結(jié)構(gòu)首次運(yùn)用到圓形地下倉(cāng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程的內(nèi)力變化，腰梁承受了較大的水平壓力，協(xié)調(diào)了各支護(hù)樁受力。表3列出了施工過(guò)程中腰梁的內(nèi)力和變形，發(fā)現(xiàn)最大壓應(yīng)力已超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度，故需要加強(qiáng)腰梁在環(huán)向的剛度。

圖6 圈梁的變形

表3腰梁的應(yīng)力、應(yīng)變及變形

4.3 用TIE命令將內(nèi)襯鋼板和各道腰梁綁定，發(fā)現(xiàn)鋼板在腰梁處出現(xiàn)了明顯的側(cè)移。鋼板的最大拉應(yīng)力得到171.8MPa，接近了Q235的抗拉強(qiáng)度值；而最大壓應(yīng)力從工況四開(kāi)始就超過(guò)Q235的抗壓強(qiáng)度，即第三道腰梁與坑底土體之間，隨著開(kāi)挖深度的加大，應(yīng)采取措施確保鋼板的強(qiáng)度和穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于ABAQUS開(kāi)發(fā)了適用于本項(xiàng)目的空間m法，分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，比如支護(hù)樁受壓側(cè)混凝土破壞，需要提高混凝土等級(jí)或者加大樁直徑；腰梁的最大壓應(yīng)力超出設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度較多，需要提高混凝土等級(jí)或者需加大腰梁截面剛度。對(duì)這些部位適當(dāng)加強(qiáng)，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

［1］沈健，王建華，高紹武.MPa基于“m”法的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)三維分析方法［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005（4）：77-82.

［2］王建華，范巍，王衛(wèi)東.空間m法在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用［J］，巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28：2034-2038.

［3］王錄民，郭明利，丁永剛.MPa樁圍復(fù)合式地下倉(cāng)結(jié)構(gòu)分析［J］.河南科學(xué)，2013（5）：625-629.

［4］王衛(wèi)東，王建華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)、分析與實(shí)例［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：230-238.

［5］郭明利.MPa地下倉(cāng)樁圍復(fù)合式倉(cāng)體的結(jié)構(gòu)分析及比較［D］.開(kāi)封：河南工業(yè)大學(xué)，2013.

［6］王建華；徐中華；王衛(wèi)東，“支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形特性分析，”巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29：1989-1903.

［7］劉明成，曾慶義.支護(hù)樁圈梁的共同作用機(jī)理與計(jì)算分析［J］.巖土力學(xué)，1995，16.

［8］JGJ 120-2012.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

Simulation of Construction Processof the Com posite Underground Bunker in Piles

Guo Mingli1Sun Shujie2Xu Qikeng3Ding Yonggang3
(1.Henan Urban and RuralPlanning Design&Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450044；2.Zhongjian(Zhengzhou)City Development and Construction Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450021；3.SchoolofCivilEngineering and Architecture Henan Universityof Technology Zhengzhou，Henan 450001)

According to the preliminary design of the composite underground bunkers structure around with piles，this paper conducted a secondary development in ABAQUS to realize the space m method,and established a three-dimensional numerical model with the interaction of piles supporting and waist beams，the internal force and deformation of the supporting pile，the beam waist and the lining plate in the process of the foundation pit excavation，and deformation of the soil spring were obtained,the supporting pile strength and stiffness were checked，the improvement measures to the structure design were put forward，providing strong support and complementary role to the design scheme.

the composite underground bunker around with piles，supporting structure，3D m method，construction process simulation

TU249.2

：A

：1003-5168（2015）03-0088-4

2015-2-25

國(guó)家“十二五”糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201413007）。

郭明利（1988.2-），男，碩士，二級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，研究方向：儲(chǔ)倉(cāng)結(jié)構(gòu)研究及設(shè)計(jì)。