孫海霞， 李冬敏， 孔志鵬

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

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基于ABAQUS和正交試驗(yàn)法的基坑支護(hù)樁優(yōu)化*

孫海霞， 李冬敏， 孔志鵬

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽 110870)

針對(duì)目前深基坑支護(hù)樁設(shè)計(jì)過于保守的問題，通過正交試驗(yàn)法，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，優(yōu)化內(nèi)支撐排樁支護(hù)方案.選擇支護(hù)樁樁徑、樁間距和樁長為研究因素，以支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過正交分析，確定對(duì)支護(hù)樁穩(wěn)定性影響最大的因素，并得到最優(yōu)的支護(hù)方案.結(jié)果表明，對(duì)支護(hù)樁設(shè)計(jì)影響最大的因素是樁徑，其次是樁長，再次是樁間距，基于ABAQUS和正交試驗(yàn)法的基坑支護(hù)樁優(yōu)化方法，可以定量判定支護(hù)樁的優(yōu)劣，相比于經(jīng)驗(yàn)法有了較大的提升.

基坑； 正交試驗(yàn)法； 正交表； 因素水平； 數(shù)值模擬； 支護(hù)方案； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 最佳組合

近年來，由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、城市人口的高速增長以及復(fù)雜的周邊局勢(shì)，為了解決人口流動(dòng)和就業(yè)點(diǎn)相對(duì)集中給交通和環(huán)境帶來的壓力，滿足環(huán)境和局勢(shì)變化的要求，大量修建地下工程成為了一種必然趨勢(shì).伴隨著地下空間的不斷開發(fā)利用，基坑的規(guī)模和開挖難度也越來越大，相應(yīng)的對(duì)于基坑安全性的要求也越來越高.同一工程采用不同的設(shè)計(jì)方案在安全性和經(jīng)濟(jì)性等方面往往有較大差異，因此，如何在工程動(dòng)工前選定最優(yōu)方案就顯得尤為重要.

1　正交試驗(yàn)

對(duì)于單因素或雙因素試驗(yàn)，其因素較少，試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施與分析都相對(duì)比較簡單.但在日常實(shí)際工作中，常常需要同時(shí)考慮三個(gè)或三個(gè)以上的試驗(yàn)因素，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，則試驗(yàn)的規(guī)模將會(huì)很大很復(fù)雜，并且往往因?yàn)樵囼?yàn)條件的限制而難于實(shí)施.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用正交表來安排與分析多因素試驗(yàn)，在水平比較少的情況下有較高的效率[1-3].該設(shè)計(jì)方法是在試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)[4]，通過對(duì)這一部分試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析來了解全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合.

2　工程概況及計(jì)算模型

2.1工程概況

本文數(shù)值模擬以沈陽某地鐵車站為例，該車站的深基坑長為167.2 m，寬為29.8 m，深為14.5 m.研究范圍內(nèi)土體的計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1.

表1　基坑土層的物理力學(xué)參數(shù)Tab.1　Physical and mechanical parameters of foundation pit soil

2.2計(jì)算模型

幾何模型的尺寸是根據(jù)基坑及其周邊環(huán)境條件共同確定的，基坑開挖引起的地面沉降的影響范圍隨著基坑開挖規(guī)模的增大而增大，一般情況下不會(huì)超過開挖深度的5倍，此外，基坑的長寬比越大，基坑長邊外側(cè)的影響范圍也就越大.在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，幾何模型的寬度一般取開挖深度的3～4倍，高度取開挖深度的2～3倍，具體情況根據(jù)工程地質(zhì)條件和計(jì)算精度來確定.

本文車站深基坑形狀近似為矩形，總長度167.2 m，寬度29.8 m，開挖深度15 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，支撐選用焊接鋼管，共56道，支撐標(biāo)高分別為-0.5、-6.5、-11.5 m，鋼管直徑609 mm，管壁厚度14 mm.

綜合考慮車站基坑形狀和以往數(shù)值模擬研究經(jīng)驗(yàn)[5-8]，本文研究僅以標(biāo)準(zhǔn)段為例進(jìn)行數(shù)值模擬分析.模型標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為15 m，開挖寬度為18.6 m，根據(jù)對(duì)稱性取開挖寬度的一半，取標(biāo)準(zhǔn)段基坑中的三根樁及其周邊土體進(jìn)行建模，模型的總尺寸為45 m×45 m×3.6 m.排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示.

圖1　排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1　Schematic row piles supporting structure model and grid partition

2.3模型荷載及邊界條件

本文模型中不考慮水壓力，地表沒有附加荷載，土體的自重就是土層壓力，初始應(yīng)力場(chǎng)就是帶有重力梯度的自重應(yīng)力場(chǎng)，如圖2所示.

由于基坑底部為堅(jiān)硬的穩(wěn)定土層，所以模型底部的邊界條件只需限制Y方向，也就是豎直方向的位移就能夠準(zhǔn)確模擬出實(shí)際基坑底部的情況.而對(duì)于模型左右兩側(cè)的邊界條件，根據(jù)對(duì)稱性限制X方向，即水平方向的位移；模型前后兩側(cè)采用的是約束水平方向(即Z方向)的位移[9].基

圖2　初始應(yīng)力平衡Fig.2　Initial stress equilibrium

坑模型自由沉降，作為模擬基坑的應(yīng)力邊界條件，如圖3所示.

圖3　模型邊界條件和土體自重Fig.3　Model boundary conditions and soil weight

3　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1影響因素

沈陽市地鐵深基坑工程采用的是內(nèi)支撐排樁支護(hù)方案.在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的過程中，為了能夠確保支護(hù)樁具有足夠的穩(wěn)定性，排樁支護(hù)部分的設(shè)計(jì)偏于保守.因此，本文從利于節(jié)省材料和盡量減少費(fèi)用支出的角度考慮，在保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，對(duì)排樁支護(hù)部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

影響支護(hù)樁穩(wěn)定性的因素很多，本文結(jié)合實(shí)際條件，通過對(duì)樁徑、樁間距和樁長這三種優(yōu)化因子的各自三種水平進(jìn)行優(yōu)化，以支護(hù)樁的最大水平位移作為指標(biāo)，選擇出最佳的優(yōu)化組合.各試驗(yàn)因素及水平如表2所示.

表2　各試驗(yàn)因素及所取水平Tab.2　Factors and their levels for various tests　m

3.2方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上確定的影響因素以及因素水平進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)分析，試驗(yàn)安排見表3.

表3　正交試驗(yàn)Tab.3　Orthogonal experiments　m

4　計(jì)算結(jié)果整理及分析

4.1正交試驗(yàn)結(jié)果整理

通過利用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬運(yùn)算，按照正交表的規(guī)定做9次數(shù)值模擬試驗(yàn)，以支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中，9次模擬試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的水平位移值分別為9.30、9.86、9.55、12.67、9.53、12.05、9.67、11.63、11.00 mm，且水平位移值之和為95.26 mm，利用方差法進(jìn)行分析，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[10]，本文在此不做贅述，計(jì)算結(jié)果見表4.

表4　結(jié)果分析Tab.4　Analysis on results

4.2正交試驗(yàn)結(jié)果分析

從表4可以看出，在內(nèi)支撐排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移影響最大的因素是支護(hù)樁的直徑，支護(hù)樁是承受土體壓力的主要結(jié)構(gòu)，樁徑越大，支護(hù)樁所能承受的壓力也就越大，基坑也就越安全、穩(wěn)定，一旦樁徑設(shè)計(jì)不合理，使得支護(hù)樁在受力過程中產(chǎn)生過大變形甚至被破壞，就會(huì)嚴(yán)重威脅基坑的安全性.

其次，支護(hù)樁樁長的大小也是影響基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的主要原因.在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，支護(hù)樁樁長越大，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移越小，基坑越趨于穩(wěn)定，但當(dāng)支護(hù)樁樁長超過某一長度時(shí)，支護(hù)樁在基坑體系的作用下，就不會(huì)對(duì)基坑的穩(wěn)定性有很大的貢獻(xiàn).

最后，支護(hù)樁間距對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響相比于支護(hù)樁樁徑和樁長來說比較小.在實(shí)際工程中，樁間距也是比較重要的一部分，取值過大就可能發(fā)生土體從樁間擠出，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失效；取值過小就不能充分發(fā)揮支護(hù)樁的作用，達(dá)不到節(jié)約成本的作用.

綜上所述，最終確定支護(hù)樁樁徑0.9 m，樁間距1.4 m，樁長23 m為最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，在使得基坑穩(wěn)定性得到較大提升的同時(shí)，也可以在經(jīng)濟(jì)上得到節(jié)約.

5　結(jié)　論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 運(yùn)用正交試驗(yàn)法對(duì)沈陽某地鐵深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找到了影響支護(hù)樁穩(wěn)定性的主要因素及最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)組合，說明正交試驗(yàn)可以定量分析某種支護(hù)樁參數(shù)的優(yōu)劣，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的.

2) 根據(jù)分析結(jié)果，在支護(hù)樁樁徑、樁間距和樁長三個(gè)影響因素中，影響最大的是樁徑，其次是樁長，最后是樁間距.在本例中樁徑0.9 m，樁間距1.4 m，樁長23 m的組合為最佳組合.

3) 由分析可知，樁間距在保持支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用上相比于樁徑和樁長較小，因此在實(shí)際工程中，在確?；又ёo(hù)安全的前提下，可以適當(dāng)增大樁間距，從而減少支護(hù)樁數(shù)量，達(dá)到節(jié)約成本的目的.

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Optimization of foundation pit supporting piles based on ABAQUS and orthogonal experimental method

SUN Hai-xia, LI Dong-min, KONG Zhi-peng

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to solve the problem that the design of supporting piles of deep foundation pit is over conservative, the finite element software ABAQUS was used for numerical simulation analysis through the orthogonal experimental method, and the supporting scheme for the internal bracing piles was optimized. The diameter of supporting piles, pile spacing and pile length were selected as the research factors, and the maximum horizontal displacement of supporting structure was taken as the evaluation index. Through the orthogonal analysis, the maximal influencing factor on the stability of supporting piles was determined, and the optimal supporting scheme was obtained. The results show that the maximal influencing factor in the design of supporting piles is the diameter of supporting piles, follows by the pile length, and thirdly is the pile spacing. The optimization method for the supporting piles of foundation pit based on ABAQUS and orthogonal experimental method can quantitatively determine the advantages and disadvantages of supporting piles, and get obviously improved compared with the empirical method.

foundation pit; orthogonal experimental method; orthogonal table; factor level; numerical simulation; supporting scheme; optimization design; optimal combination

2015-10-22.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51279109)； 遼寧省教育廳基金資助項(xiàng)目(201164119).

孫海霞(1976-)，女，遼寧本溪人，副教授，主要從事巖土與結(jié)構(gòu)的相互作用等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.17

TU 473

A

1000-1646(2016)04-0457-04

*本文已于2016-05-12 14∶01在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.030.html