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使用ANSYS8.0进行基坑开挖分析 专 业： 土木工程 学 号： 01124438姓 名： 郑 琼指导老师：徐金明【摘要】SMW工法是从日本引进的新型施工工艺，它作为基坑支护结构具有防渗性好、构造简单、施工速度快、工程造价低等优点。本文取SMW工法为围护结构的上海某一实际基坑工程作为研究对象，以有限元理论为基本分析方法，建立了三维有限元模型，讨论了部分参数对结果的影响，对其变形情况作进一步分析。【关键词】SMW工法；基坑支护结构；FEM；应力；位移Application of the software ANSYS8.0 to the excavation analysis of foundation pitSpecialty: Civil engineeringName: Zheng QiongStatus No.: 01124438Tutor: Xu Jin-mingAbstract：SMW is a new construction technology from JapanIts retaining structure of foundation pit possesses advantages such as high impermeability，simple constitution，rapid construction and low costThis paper analyzes one of the retaining structure of SMWOn the basis of finite element theory，the three dimension finite element model is created and related deformations are analyzed.Key words：SMW technology；retaining structure of foundation pit；FEM；stress；displacement1 前 言随着计算机技术的飞速发展和有限元技术的日趋成熟，大型通用有限元分析软件被越来越多地应用于深基坑工程的分析。ANSYS软件具有强大的前后处理功能与完备的系统开放性、提供了二次开发技术，采用APDL (Ansys Parametric Design Language) 语言可完成通用性强的任务、也可以进行参数化建模和专业性开发，大大方便了建模、计算及数据处理。前人对基坑开挖与围护的稳定分析做了大量工作，Drucker为提供了贴近理论的解答1，Chen阐述了用上限理论来求解稳定性问题的原理和方法2，Donald I、Chen、Wang、Chen等提出了二维和三维边坡分析的能量法3-8，Sloan等人9-13结合有限单元法和数学规划方法对二维和三维稳定性问题的求解进行了研究，Zhang利用刚体有限元和极限分析下限定理对边坡进行了稳定性评价，在土木工程中14，孙九春等人运用APDL语言对深基坑开挖过程进行了模拟15，贾学明等引入子模型法和局部裂纹子模型法进行了三维应力强度因子计算16，钟守宾等基于反分析法对高填石路堤工期沉降进行了预测分析17，许文达将蒙特卡洛法与有限元法结合推广到边坡稳定可靠度分析中18，佘跃心等建立了SMW工法围护结构分析二维平面有限元模型19，王健编制了考虑土、墙体、支撑与接触面的SMW工法围护结构分析程序FE-SMW1.020。上海市某基坑位于地下建筑出入口，采用SMW工法作为垂直护壁结构。该出入口未开挖前地面标高为m、开挖后基坑底标高为-8.250m，型钢中心宽度8.44m，单桩直径700mm，水泥土搅拌桩桩顶标高为m，搅拌桩底标高为-18.80m，水泥掺量为17%。型钢底标高为-17.8m，H型钢顶标高为+0.2m。基坑内设4道支撑，标高分别为-0.9m、-2.9m、-4.3m、-7.1m，其中第二道为换撑。出入口及附属结构基坑深度8.009.00m，分三层开挖。开挖过程中，基坑边缘外15m内不得有大于20kN/m的堆载及其它载重。在钢支撑预加轴力后，进行支撑面以下的土体开挖。钢支撑预加轴力：第一道和第二道钢支撑330kN，第三道支撑750kN。地基土的物理力学指标见表1，其他材料属性部分参数见表2。表1 地基土的物理力学指标序号土层名称层底标高/m含水量/%重度/kN/ m3孔隙比e摩擦角/(。)粘聚力c/kPa压缩模量Es/MPa1杂填土2.203黄色素填土1.201褐黄色粘土-0.3036.817.71.0821.5103.253b灰色砂质粉土夹淤泥质粉质粘土-4.9033.018.40.9331.077.38灰色淤泥质粉质粘土-6.0041.017.31.1722.5123.12灰色淤泥质粘土-13.3049.116.61.4210.0112.161a灰色粘土-16.5042.817.21.2411.0132.621b灰色粉质粘土-31.0033.617.90.9921.5144.952灰色砂质粉土夹粉质粘土-42.3032.817.80.9825.0135.80表2 其他材料属性弹性模量（Pa）泊松比密度（kg/ m-3 ）钢310100.257.7水泥土2.51090.201.82 SMW工法下的基坑围护分析在基坑施筑阶段，随着土层开挖支撑体系的设置与拆除，围护结构的受力状况处于变化状态，突发和偶然情况等随机因素使得围护结构的应力状态难以预料。本文选取所测基坑的横向截面为分析对象。基坑宽31.9m，开挖深度8.25m。根据表1的土层分布情况、支撑设置以及开挖面标高、单元计算的合理尺寸等因素来划分有限元网格和边界条件。计算域深42.4m、宽61.2m，在墙身方向从墙底向下延伸1倍、在水平横向墙向外扩展10倍，底部边界选在第层，两侧边界和底部边界在水平和垂直方向对位移进行约束。本文选取三个工况为研究对象：工况一，第一次开挖1.5m深度；工况二，加上第一道支撑，第二次开挖至地表以下3.5m；工况三，加上第二、第三道支撑，同时进行第三次开挖，开挖深度达8m。图1 开挖卸荷后残余应力分布示意如图1所示，定义残余应力系数： = (1)式中 H为开挖深度；土的重度。刘国彬21建议按下式计算： (2)式中 为开挖面上的残余应力系数、可取0.30；h为上覆土层厚度；hr为残余应力影响深度，按下式确定： = (3)基坑土体竖向应力为 (4)式中 为第i 层土体的竖向应力；为开挖时总的卸荷应力；为第i 层土的残余应力系数；、 为第i 层土的重度和厚度。(1)墙体侧移模拟分析SMW工法桩墙墙体水平变位的大小主要取决于基坑的宽度、开挖深度、地层的性质、墙体的刚度、入土深度以及基坑的暴露时间、支撑的及时性和支撑刚度、位置。及时支撑和预加支撑轴力将对减少墙体变位起着重要作用。图2为X向侧移与开挖深度的关系。随着开挖深度的不断加深，SMW工法桩墙墙体的支撑沿X方向逐渐加大。以顶点为例：开挖深度为8m时，顶点位移为10mm，随着深度的增加，X向位移逐渐减至6mm，坑外土体外延和开挖基坑中部也有相对较大位移，仅次于SMW工法桩墙顶端的位移；开挖深度为10.5m时，顶点位移为14.5mm，其值也逐渐从顶部减至地连墙根部的7.2mm，与开挖至8m的基坑相比，开挖至10.5m的基坑坑外外延没有X向位移集中区；而当开挖深度达到13m时，位移将从顶点的32mm降至底部的6.2mm，位移相差近26mm，将使桩墙严重变形，从而导致基坑土体失稳而造成人员和经济的损失。虽然该模拟过程未将墙体和型钢的深入长度相应提高，但是从现有的模拟情况来看，可以推出墙体定点的位移趋势还是十分明显的。特别是当开挖深度达13m时，其顶点位移量将导致坑外土体严重变形，这将对施工安全十分不利。图2 X向侧移与开挖深度的关系由上可知，开挖深度对墙体侧移有显著影响。由于该支护体系内部插有型钢，支护体系刚度较大，基坑整体变形相对较小，因此，破坏均首先发生在支撑上，且基本上都是从支撑顶部开始的。由模拟开挖深度为10.5m和13.0m两种工况可知，在开挖深度较小时，破坏将主要集中在支撑顶部，SMW工法桩墙可能不产生大变形；而在开挖深度较大时，因为内外土压力差过大，足以使SMW工法桩墙发生大变形，严重的甚至断裂，基坑周围土体整体滑动，最终整个基坑的稳定性遭到毁坏。就不同工况来说，工况一中，接近表层土被挖出、墙体处于悬臂状态，但由于开挖深度较小，地下墙顶部所受的弯矩较小，且其值逐渐呈下降趋势，此时的最大位移位于坑外土体外延，位移量达7.1mm；工况二中，开挖至地表以下3.5m，并加上第一道支撑，由于开挖深度加大，但加有轴力支撑，使得顶端位移较工况一大（其值大约为5.4mm），SMW工法桩墙的弯矩和能量集聚都是开始增大，最大位移仍位于坑外土体外延，达7.6mm，但SMW工法桩墙顶部开始有大位移聚集区；工况三中，开挖深度达8m，接近于施工要求，同时加上第二道支撑，此时的墙顶位移约为8.6mm，SMW工法桩墙暴露部分的位移加大且更加明显。三种工况虽然SMW工法桩墙墙顶位移有所不同，但随着深度的增加X向位移都呈下降趋势、且趋于平缓，大致符合现实规律。 (2)地表沉降模拟分析SMW挡土墙的地表沉降由以下几部分组成：墙体变位引起的沉降、基坑回弹隆起及管涌引起的沉降、墙外固结沉降，这三部分是引起沉降的主要部分；另外还有抽水引起土砂损失、墙体土砂的漏失以及SMW围护搅拌插入H型钢引起的隆起，这三部分引起的地表沉降可从施工技术、施工管理上加以控制。地表沉降的范围取决于地层的性质、基坑开挖深度H、墙体入土深度、下卧层深度、基坑开挖深度等。沉降范围一般为(14)H。图3为垂直于基坑挡土墙的各个地表层的点在不同工况时的位移比较。从图3可以看出：工况一，表层土体被挖出，墙体呈悬臂状态，近墙地表沉降量较大；工况二，加上第一道支撑后，第二次被开挖的土体被挖出，支撑以下墙体部位位移增大，沉降曲线不再表现为单一的上升状态，而是在距墙某一位置凹陷；工况三，这种凹陷稍微远移，成为沉降量最大点，最后逐渐平缓上升。这与王健用Duncan-Chang模型模拟土，编制的相应程序FE-SMW1.0所得的结果在某种程度上相类似（该模型用有厚度接触面单元模拟接触面、用平面八节点等参单元模拟土、用梁单元模拟墙体、用一维杆单元模拟支撑）。图3 各工况地表沉降比较工况一中，由于开挖深度较小，土体可近视视为一个整体，坑外土体和基坑土体的应力分布大致一致。由表层随深度的不断增加，应力也呈逐渐增加的趋势：最上层应力最小，约为142kPa，底层大致为6400 kPa，最大应力位于型钢附近的水泥土搅拌桩，可达9616 kPa；工况二，边坡土体和开挖土体的Y向应力，其分布层次虽稍有错动，但分布顺序还是一致的。由于开挖深度的增加、土的粘聚力和加了第一道支撑导致的支撑变形，模型所取的土体应力出现了方向相反的情况：第一层的应力约为325kPa，方向垂直于土体面向上；随着深度的增加，应力方向逐渐变为垂直于土体面向下，直至底面的7000kPa；工况三，开挖深度继续加深，紧接着加了第二道支撑，使得此时的土体Y向应力分布在工况二的基础上分布变化梯度更大，由顶层的700kPa左右到底层的9000kPa。这三种工况的共同点是：土体在Y向上都随着深度的增加应力逐渐增加，应力的最大值和最小值都存在于型钢和水泥土搅拌桩的模型区域中，应力方向相反；其不同点是：随着施工的进行，应力的变化梯度逐渐减小，而在型钢和水泥土搅拌桩中的应力最大值和最小值相差的绝对值则逐渐增大，这在工程中应引起足够的重视。但是在实际工程中，型钢表面由于施工需要会涂有减摩剂，一定程度上可以缓解型钢和水泥土在支撑和土体共同作用下产生的影响。上海地区的土层除具有一般土体性质之外，还具有软土的一些性质。软土的天然强度低、压缩性高、透水性小，并且有固结时间长、流变特性显著的特点。软土地基上的构筑物常常会出现沉降过大、承载力不足等问题。考虑到以上几种土体特性，作者发现仅根据实际土层所得的工程数据来定义模型参数可能对研究结果产生一定的误差。然而又由于对实际土层、边界条件、空隙压力消散、固结度计算有一定困难，作者将对土体模型进行外部加载，来说明坑外土体竖向压缩量增大将对开挖基坑的水平位移、竖向位移以及应力分布情况产生较大影响。图4、图5分别为在坑外土体加载10kPa和15kPa的情况下X向和Y向的位移比较。图4 不同加载情况下X向位移图5 不同加载情况下Y向位移从图4不难看出，随着土体边坡面加载的增加，坑外土体和基坑的沉降量都将增加，几乎都在510米处达到最大值，曲线都较为平缓；X方向的少数值有突变，大致在与型钢和水泥土的地面相平的标高处，图形中的数据不太稳定。图5中，各情况的图形形状相似，主要的不同在于开挖基坑与SMW工法桩墙相接触的土体：施压较大的开挖基坑内侧沉降量相对较大。如图，施压10kPa的基坑沉降量最大为12mm，施压15kPa的基坑沉降量最大达14mm。这可能由于施加在土体上的压力达到使墙体变位而引起的。由以上分析可以得知，地表沉降会随施工进程的推进而增加，其变化速度相差较为悬殊，且各种工况的最大沉降位移处也各不相同。随着开挖深度的增加，地表的最大位移处从近墙表面处慢慢移向离墙面稍远处。因此，SMW工法在施工过程中应尽量避免在坑外或开挖基坑内放置过大的荷载，否则将增加施工难度，继而影响施工速度或质量。作者考虑了土体蠕变和固结对基坑沉降数据的影响，在坑外土体表面加上分布荷载，结果表明，开挖基坑内侧所受的影响较大。除此之外，作者还对开挖基坑的剪应力进行了分析。从中可以得到结论有，剪应力的梯度变化最大处在SMW工法桩墙的插入底端附近，其值为1824kPa，桩墙底端应力聚积较大，极易在此处发生剪切破坏。离墙体越远，剪应力梯度变化越小，这种影响范围一般不超过(1-1.5)H，作者认为对插入型钢和水泥土搅拌桩的抗剪承载力要求较高。其中模型边缘的剪应力可以适当忽略，这是由于模型的边界条件设为三维固定所致，基本不影响主要受力点的观察。3 结束语三维有限元模型中考虑了复合型围护结构不同材料间的相互作用，在分析基坑变形时具有较好的使用价值。为使模拟基坑开挖结果尽可能符合实际情况，模型沿墙身方向向墙底延伸一倍，水平横向向墙外扩展10倍，得到较好的模拟效果，与实测结果相近。SMW支护结构因其良好的抗渗性能以及经济的造价等多方面的优点，在软土地区基坑工程中的应用越来越多。分析SMW工法的止水效果和抗渗能力也将是作者以后努力的方向。参考文献1 Drucker D C, Prager W. 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