高 宣

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

自20世紀(jì)80年代以來，中國的基坑工程出現(xiàn)了大量的超深和超大的工程。城市地區(qū)地下車庫、深地下室和地下交通系統(tǒng)的建設(shè)，盡量減少或者降低對已有建筑的影響。深基坑支護的數(shù)值模擬分析顯得尤為重要。Zhandos Y.Orazalin等[1]介紹了利用有限元模擬Stata中心地下室開挖，分析強調(diào)了三維開挖和支撐幾何對地面和地面運動的影響。用一個簡單的彈塑性摩爾—庫侖模型在粘土中不排水條件下的基本情況的結(jié)果通常與實測的性能非常吻合。Maria A.Nikolinakou等[2]介紹了一種廣義有效應(yīng)力模型的應(yīng)用，利用有限元模擬復(fù)雜環(huán)境下深開挖的支撐系統(tǒng)的性能?；釉谒麻_挖由一排預(yù)應(yīng)力錨固墻支撐。結(jié)果表明，計算與實測壁變形和錨桿力之間有很好的一致性。研究結(jié)果強調(diào)了基礎(chǔ)狀態(tài)參數(shù)信息對先進(jìn)土壤模型成功應(yīng)用的重要性。在現(xiàn)有的一些研究中對于樁錨支護體系在基坑支護變形的研究還較少。

1 模型建立

該模型基坑深度為9 m，支護形式選型為排樁—錨桿支護。

數(shù)值模擬工程土質(zhì)條件：本工程選取的為土質(zhì)良好的粉質(zhì)粘土。支護結(jié)構(gòu)：排樁采用0.8 m的混凝土灌注樁，樁間距1.4 m，樁的長度是11 m；冠梁的截面尺寸為0.8 m×1.0 m；在冠梁處設(shè)置錨索，錨索采用2φ15.2鋼絞線，長度為15 m，水平間距1.8 m，入土角度15°，高壓噴射注漿。錨索設(shè)計拉力350 kN，鎖定力200 kN。

2 數(shù)值模擬[3-5]

2.1 本構(gòu)關(guān)系

材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系也叫本構(gòu)關(guān)系，以土體為研究對象的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，稱為土的本構(gòu)關(guān)系。一般材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為：

{σ}=[D]{ε}

(1)

2.2 摩爾—庫侖(Mohr-Coulomb)模型

在巖土工程數(shù)值模擬軟件中，常用的幾種本構(gòu)模型有：摩爾—庫侖模型、修正D-P模型、擴展的劍橋模型。摩爾—庫侖模型的屈服函數(shù)，摩爾形式表達(dá)式為：

τ-σtanφ-c=0

(2)

庫侖形式表達(dá)式：

(σ1-σ3)-[σ1+σ3]sinφ-2ccosφ=0

(3)

其中,σ為剪切面上的正應(yīng)力；τ為剪切面上的剪應(yīng)力；c為材料的粘聚力；φ為材料的內(nèi)摩擦角。

2.3 模型參數(shù)

模型參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

2.4 數(shù)值模擬過程

本文主要是對基坑的支護樁和錨桿的應(yīng)力狀態(tài)及基坑變形進(jìn)行模擬和分析，經(jīng)過大量的試驗和工程實例得出結(jié)論，冠梁在一定程度上影響了樁的變形約束，但效果甚微[1]。本文在進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中，根據(jù)等效彎曲剛度原則，將排樁簡化成等剛度的連續(xù)墻。冠梁對于樁體在一定程度上，對樁體起到約束的作用，但是對于模型中數(shù)值計算結(jié)果的影響不大，在數(shù)值模擬計算中不考慮冠梁。由于腰梁主要是錨固和分擔(dān)錨桿的錨力，對于研究內(nèi)容影響不大，所以在本文也沒有模擬梁腰。

在本文中，假設(shè)土體是一個理想的彈塑性體，采用M-C準(zhǔn)則和關(guān)聯(lián)流動法則的方法，對基坑開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，并確定基坑幾何模型的影響范圍，深度約為1次～2次垂直開挖的范圍，一般情況下，對于開挖寬度在水平方向開挖寬度計算深度擴展2倍～3倍。

該模型中，基坑支護結(jié)構(gòu)單元類型有兩種?；油馏w和支護樁采用ABAQUS中基于摩爾庫侖理論的實體單元C3D8，錨桿采用的是桿單元T3D2。該模型開挖分6步，開挖分3次，每次開挖3 m后進(jìn)行支護，依次開挖，支護。

3 結(jié)論

本文主要分析了基坑開挖不同工況下土體的應(yīng)力應(yīng)變，并分析了樁和錨桿的應(yīng)力和變形。

在不同工況下的云圖：

當(dāng)基坑開挖至3 m時，插入第1層錨桿，如圖1所示；開挖至6 m時，插入第2層錨桿，如圖2所示；開挖至9 m時，插入第3層錨桿，如圖3所示。

4 結(jié)語

隨著基坑開挖階段，樁后土體的水平位移增大，影響范圍也增大。位移值隨基坑邊緣距離的減小而減小。從云圖上也可以看出，位移的最大值不在土壤表面發(fā)生。排樁的最大水平位移發(fā)生在距離基坑頂面2.5 m～4.5 m的表面，并隨著開挖，在影響范圍內(nèi)擴大。

與開挖位移減小基坑水平位移的土樁，在第一步中土體最大水平位移的基坑開挖后，最大值出現(xiàn)在靠近相鄰的樁，當(dāng)水平位移接近土壤表面后基坑樁開挖僅為3 mm。這表明，開挖后樁頂，導(dǎo)致了一個移動的趨勢增加樁基坑土體的主動土壓力，樁的前表面和樁體增大產(chǎn)生的主動土壓力，一個運動趨勢的坑外下部，抵消由開挖基坑土體的水平位移引起的第一步。

樁后土體的最大沉降量，從圖中可以看出，在平衡地應(yīng)力后，第三步開挖引起的土體沉降最大，這可能是由于開挖過程中主動土壓力引起的。

[1] Zhandos Y.Orazalin,Andrew J.Whittle,Matthew B.Olsen.Three-Dimensional Analyses of Excavation Support System for the Stata Center Basement on the MIT Campus[J].J.Geotech.Geoenviron.Eng.,2015,141(7):216-217.

[2] Maria A.Nikolinakou,Andrew J.Whittle,Stavros Savidis,et al.Prediction and Interpretation of the Performance of a Deep Excavation in Berlin Sand[J].Geotech.Geoenviron.Eng.,2011,137(11):1047-1061.

[3] 張學(xué)言，閆澎旺.巖土塑性力學(xué)基礎(chǔ)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2004.

[4] 鄭穎人，沈珠江，龔曉南.廣義塑性力學(xué)—巖土塑性力學(xué)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[5] 鄭穎人，孔 亮.巖土塑性力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[6] 賈金青,陳國周,孟祥波.改進(jìn)的桿系有限元在預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護法中應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2007(11):2314-2318.

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