郭明利孫樹杰許啟鏗丁永剛

（1.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究總院有限公司，河南鄭州 450044；2.中建（鄭州）城市開發(fā)建設有限公司，河南鄭州 450021；3.河南工業(yè)大學土木建筑學院，河南鄭州 450001）

樁圍復合式地下倉施工過程模擬

郭明利1孫樹杰2許啟鏗3丁永剛3

（1.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究總院有限公司，河南鄭州 450044；2.中建（鄭州）城市開發(fā)建設有限公司，河南鄭州 450021；3.河南工業(yè)大學土木建筑學院，河南鄭州 450001）

針對初步設計后的樁圍復合式地下倉結(jié)構(gòu)，本文在ABAQUS中進行二次開發(fā)實現(xiàn)了空間m法，建立了支護樁與腰梁共同作用的三維計算模型，得到了基坑開挖過程中支護樁、腰梁及內(nèi)襯鋼板的內(nèi)力和變形，以及土彈簧的變形，校核了支護樁的強度和剛度，對結(jié)構(gòu)設計提出改進措施，對設計方案起到有力的支持和補充作用。

樁圍復合式地下倉；支護結(jié)構(gòu)；三維m法；施工過程模擬

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

支護結(jié)構(gòu)的強度和變形計算是深基坑工程設計中的關(guān)鍵技術(shù)。沈健，王建華等在平面彈性地基梁法的基礎上發(fā)展了支護結(jié)構(gòu)的三維計算方法［1］。王建華、范巍等進一步完善了空間m法，并分析了多個支護形式為地下連續(xù)墻的深基坑工程［2］。樁圍復合式地下倉是一種新型地下結(jié)構(gòu)［3］，結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示，本文在ABAQUS中進行二次開發(fā)實現(xiàn)了空間m法，對該結(jié)構(gòu)進行施工過程模擬，得到開挖過程中結(jié)構(gòu)各部位的內(nèi)力和變形，加強設計中的薄弱部位，確保新型結(jié)構(gòu)的安全。

1 工程概況

該地下倉計劃建造在河南金地集團糧食物流園區(qū)，根據(jù)勘察報告，土層參數(shù)如表1所示，按水位1.0m設計。該地下倉結(jié)構(gòu)安全等級一級，防水等級一級。整個基坑支護選用灌注樁與水平環(huán)向布置的腰梁組成的支護結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)、外同時降水。灌注樁和水平腰梁組成的支護結(jié)構(gòu)充當了基坑開挖時支護，及地下倉的外圍護主體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)的全面結(jié)合，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

圖1 樁圍復合式地下倉平面圖

表1 土體物理力學指標

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)的計算

基坑開挖面以下，土彈簧單元的水平向剛度可按下式計算［4］：

2.1.2 比例系數(shù)m的計算

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

2.2 水土壓力計算

按《規(guī)程》規(guī)定，支護結(jié)構(gòu)外荷載在開挖面以上為采用三角形分布的朗肯主動土壓力，開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

本工程豎向設置五道腰梁，遵循先開挖后支撐的原則，各工況如下：

2.3.1 開挖至第一道腰梁底標高，計算此時結(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度后，開挖至第二道腰梁底標高，核算水土壓力，對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移進行分析；

2.3.3 依次澆筑第二—五道腰梁，開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)設計方案建立三維計算模型，樁、冠梁、腰梁采用三維梁單元模擬，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 有限元計算模型

按上面的支護結(jié)構(gòu)設計方案建立三維有限元模型。對采用灌注樁的支護樁、冠梁、腰梁用B31單元來模擬；坑內(nèi)土體采用SPRINGA彈簧單元模擬，彈簧一端與支護樁連接，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行設置：工況①：開挖至-4.400m并設置腰梁；工況②：開挖至-8.800m并設置腰梁；工況③：開挖至-13.200m并設置腰梁；工況④：開挖至-17.600m并設置腰梁；

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

為了簡化分析，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，采用軸對稱模型計算；

3.2 樁基周圍的土層為成層分布，同一土層沿結(jié)構(gòu)周圍為同厚度分布，每層土皆為均質(zhì)、各向同性體。

4 結(jié)果對比及分析

4.1 通過查看各施工工況的支護樁樁身應力變化，發(fā)現(xiàn)支護樁受力薄弱部位。圖2為支護樁變形最大時結(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］研究的支護樁變形趨勢相吻合，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 支護樁Mi s e s應力分布圖

表2 支護樁的應力、應變及變形

圖3 支護樁的側(cè)移

表2統(tǒng)計出各施工工況下支護樁的內(nèi)力和變形。對比C30混凝土的材料性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)最大拉應變很?。欢畲髩簯儚墓r一開始就超過了混凝土極限壓應變0.0033，即支護樁受壓側(cè)首先破壞，應采用更高級別的混凝土或者增大樁身截面；最大拉應力為0.93MPa，接近抗拉強度1.43MPa；最大壓應力為0.92MPa，遠小于設計抗壓強度14.3Mpa。

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

圖4 支護樁側(cè)移與基坑深度的變化趨勢

圖5 支護樁彎矩與基坑深度的變化趨勢

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

圖6 圈梁的變形

表3腰梁的應力、應變及變形

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。鋼板的最大拉應力得到171.8MPa，接近了Q235的抗拉強度值；而最大壓應力從工況四開始就超過Q235的抗壓強度，即第三道腰梁與坑底土體之間，隨著開挖深度的加大，應采取措施確保鋼板的強度和穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文在初步設計的基礎上，基于ABAQUS開發(fā)了適用于本項目的空間m法，分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，比如支護樁受壓側(cè)混凝土破壞，需要提高混凝土等級或者加大樁直徑；腰梁的最大壓應力超出設計抗壓強度較多，需要提高混凝土等級或者需加大腰梁截面剛度。對這些部位適當加強，以確保結(jié)構(gòu)的安全。

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

［2］王建華，范巍，王衛(wèi)東.空間m法在深基坑支護結(jié)構(gòu)分析中的應用［J］，巖土工程學報，2006，28：2034-2038.

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

［4］王衛(wèi)東，王建華.深基坑支護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設計、分析與實例［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：230-238.

［5］郭明利.MPa地下倉樁圍復合式倉體的結(jié)構(gòu)分析及比較［D］.開封：河南工業(yè)大學，2013.

［6］王建華；徐中華；王衛(wèi)東，“支護結(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，”巖土工程學報，2007，29：1989-1903.

［7］劉明成，曾慶義.支護樁圈梁的共同作用機理與計算分析［J］.巖土力學，1995，16.

［8］JGJ 120-2012.建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］.中國建筑工業(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

國家“十二五”糧食公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201413007）。

郭明利（1988.2-），男，碩士，二級注冊結(jié)構(gòu)工程師，研究方向：儲倉結(jié)構(gòu)研究及設計。