基于ABAQUS基坑變形及預(yù)應(yīng)力錨索內(nèi)力分布規(guī)律的研究

張 華 祥

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000)

由于樁—預(yù)應(yīng)力錨桿(索)支護(hù)結(jié)構(gòu)具有可靠性高、基坑變形小等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于邊坡和深基坑工程中[1,2]。然而對(duì)基坑變形的研究仍以經(jīng)驗(yàn)估算其變形，與實(shí)際變形有一定誤差，有待進(jìn)一步研究。故針對(duì)邯鄲市某深基坑工程實(shí)例，運(yùn)用ABAQUS[3]有限元軟件“生死單元”功能，對(duì)樁—預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)進(jìn)行施工過程的二維彈塑性數(shù)值模擬，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證了ABAQUS模擬基坑開挖的可行性，進(jìn)而探討了預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力分布規(guī)律，為預(yù)估基坑變形提供了一種有效的方法。

1 ABAQUS數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果

1.1 工程概況

根據(jù)該工程勘察報(bào)告，該工程北部基坑深12.9 m，支護(hù)樁長(zhǎng)21.9 m，入土深度9 m，沿基坑深度設(shè)置4排錨索，其長(zhǎng)度分別為27 m,29 m,27 m,21.5 m，施錨位置分別在-3 m,-5.5 m,-8 m,-10.5 m，傾角均為15°，其基坑支護(hù)如圖1所示。

1.2 材料參數(shù)

樁、錨索材料參數(shù)見表1，土層材料參數(shù)見表2。

表1 樁、錨索材料參數(shù)

表2 土層材料參數(shù)

1.3 數(shù)值模型

有限元模型尺寸的確定原則是不顯著影響模擬的結(jié)果為準(zhǔn)，借鑒前人的研究成果，模型參數(shù)Db,We,Be和Db′見圖2，取Db=1.2H,We=3Db,Be=3(H+Db),Db′=3H[4-6]，當(dāng)基坑水平方向Db′,We,Be超過這些值時(shí)，對(duì)基坑變形的影響可以忽略。H=12.9 m,Db=15.48 m,We=46.44 m，Be=85.14 m,Db′=38.7 m。

模型兩側(cè)施加水平約束，底部設(shè)置水平和豎向約束，為了與基坑開挖工程的實(shí)際相符，利用ABAQUS中的“生死單元”功能來實(shí)現(xiàn)開挖過程的模擬。針對(duì)土體屈服準(zhǔn)則選取問題，前人對(duì)M-C模型及D-P模型進(jìn)行實(shí)際案例分析，熊春寶、雷禮剛[7]等研究成果表明:修正D-P模型理論較成熟，但作為近似計(jì)算，其參數(shù)誤差較大。在排樁基坑支護(hù)體系中，M-C模型計(jì)算的變形值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合，而以修正的D-P模型得到的變形值偏大。結(jié)合本工程勘察報(bào)告及前人研究成果，本文擬采用M-C模型對(duì)其進(jìn)行模擬。

基本假定：

1)由于地下水位較深，對(duì)分析影響較小，故不考慮地下水滲流的作用；

2)不考慮開挖對(duì)應(yīng)力釋放的影響；

3)考慮到實(shí)際工程中，灌漿體錨固力足以抵抗拉拔力，故忽略錨索因拉力過大被拔出；

4)樁、預(yù)應(yīng)力錨索分別采用梁?jiǎn)卧丸旒軉卧M(jìn)行模擬；

5)假設(shè)土體為各向同性的均質(zhì)體，且呈層狀分布，采用M-C彈塑性模型的實(shí)體均質(zhì)單元進(jìn)行模擬。

2 結(jié)果分析與對(duì)比

模擬水平位移曲線如圖3所示。由圖3可知水平位移隨樁長(zhǎng)呈中間大，兩端小，頂端位移較底端位移略大，最大水平位移發(fā)生在-11.5 m處，鄰近基坑開挖面部位，最大水平位移約為δ=42.9 mm。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)origin處理如圖4所示。由圖4可知，樁在開挖面附近發(fā)生最大位移，約45.2 mm，與模擬值相差約5.1%。由圖3，圖4對(duì)比可知，整體水平位移實(shí)測(cè)值較模擬值略大，但兩者基坑水平位移曲線基本擬合，呈“鼓肚形”，與黃鵬[5]研究成果相符，驗(yàn)證了ABAQUS模擬基坑開挖的可行性。

有限元數(shù)值模擬的地表沉降曲線如圖5所示。

地表沉降近似“V形”或“凹陷形”，最大沉降發(fā)生在距坑邊6.9 m處，沉降量約為0.53H；最大沉降量近似32.3 mm，約δ′=0.75δ，以《基坑工程技術(shù)規(guī)范》[9]計(jì)算的最大沉降量約34.32 mm，誤差約為6%。

數(shù)值模擬的預(yù)應(yīng)力錨索在基坑開挖完成后的應(yīng)力曲線如圖6所示，從圖6中可以看出，各錨索應(yīng)力隨其長(zhǎng)度的增加而減小，除第四道錨索外，其余三道錨索應(yīng)力的分布形狀呈現(xiàn)兩端小，中間大的棗核形。

3 結(jié)語

本文針對(duì)邯鄲市某深基坑工程開挖實(shí)例，運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)樁—預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)進(jìn)行施工過程的數(shù)值模擬，并與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證了ABAQUS數(shù)值模擬的可行性。

1)樁—預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)下，由于預(yù)應(yīng)力錨索的作用，基坑的最大水平位移發(fā)生在基坑開挖面偏上，水平位移呈“鼓肚形”。

2)地表沉降呈“凹陷形”，最大沉降量發(fā)生在0.5倍左右的基坑開挖深度，沉降量約0.75倍的基坑最大變形量。

3)樁—預(yù)應(yīng)力錨支護(hù)結(jié)構(gòu)下，錨索的應(yīng)力一般沿其長(zhǎng)度逐步減小，底端應(yīng)力可忽略不計(jì)。

[1] Nak Kyung Kim,Jong Sik Park,Sung Kyu Kim.Numerical simulation of ground anchors[J]. Computers and Geotechnics,2007(34):498-507.

[2] Serrano A,Olalla C. Ultimate bearing capacity at the tip of a pile in rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2002,39(7):833-846.

[3] 費(fèi) 康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京: 中國(guó)水利水電出版社,2010:298-314.

[4] Lim Y, Briaud J L. Three Dimensional Non Linear Finite Element Analysis of Tieback Walls and of Soil Nailed Walls under Piled Bridge Abutment[D].Texas: Texas A&M University,1996.

[5] 黃 鵬.恒隆廣場(chǎng)深基坑支護(hù)工程數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)分析[D].大連:大連理工大學(xué),2014.

[6] 徐運(yùn)明,吳雄志,王 偉.攪拌樁—土釘復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析[J].煤炭工程,2011(5):40-42.

[7] 熊春寶,雷禮剛.軟土深基坑支護(hù)內(nèi)力和變形的三維有限元分析[J].巖土力學(xué),2006,54(10):181-195.

[8] 黃雪峰,馬 龍,陳帥強(qiáng),等.預(yù)應(yīng)力錨桿內(nèi)力傳遞分布規(guī)律與時(shí)空效應(yīng)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014,36(8):1521-1525.

[9] GB/T J08—61—2010,基坑工程技術(shù)規(guī)范[S].