【深基坑工程平面有限元研究3200字】

深基坑工程平面有限元研究摘要：深基坑开挖过程中，极易对周围土体造成很大的影响。为了研究这种影响，以实际工程中的某一地铁换乘站为例，采用Abaqus有限元软件对此换乘车站进行深基坑开挖的过程进行有限元模拟。结果表明：容易出现应力集中的现象的区域是在深基坑的坑底以及边坡位置，在整个深基坑中，其上半部分会发生最大水平位移，相较来说其他部位水平位移较小。在基坑开挖过程中，基坑周围的土体以及基坑的最底部会发生一定的突起。应力变化较为明显，其中坑底和围护结构两边会产生最大主应力。关键词：基坑开挖；数值模拟；有限元模型；纵向位移；水平位移0.引言随着经济的快速发展城市化进程也在不断加速,愈益要求开发三维城市空间。特别是到了本世纪,随着高层和超高层建筑的发展,以及人们对地下空间的开发和利用日益增多,基坑工程不仅数量增多,体积变得越来越大，深度也在不断加深REF_Ref8895\r\h[1]。由于大量的基坑工程集中在市区,施工场地狭小,施工条件复杂,基坑围护体系不仅要保证基坑及围护结构本身的安全,而且还要确保基坑周围的建(构)筑物和市政设施的安全以及正常使用,也就是说基坑还存在着环境效应的问题REF_Ref171\r\h[2]。因此在当前社会，我们对基坑工程的质量要求和安全要求变得越来越高,但在实际工程中出现的问题也在逐渐增多。正是由于对基坑开挖的高质量要求，才促进了基坑开挖技术的进一步发展，谋求更好的开挖技术已经成了急需解决的问题。同时也通过有限元等多种先进的算法，努力获得更好的施工工艺。目前，基坑工程引起周围土体变形的研究方法主要有模型试验、理论推导和数值模拟3种方法REF_Ref8895\r\h[1-10]。其中，数值模拟是在考虑不同地质条件和影响因素的情况下，建立基坑开挖模型，研究基坑开挖对周围土体的影响。数值模拟由于分析工程问题全面、输出结果直观，不仅能考虑不同地质条件的土体来模拟实际工况，而且可以通过修改土体与结构参数以考虑不同因素的影响，从而模拟每一个施工工况对应的结构受力状态，在工程项目的初步分析设计与计算研究中得到广泛应用REF_Ref1314\r\h[3]。但是，数值模拟在基坑工程中的应用研究主要体现在基坑开挖过程中围护结构的最大水平位移和地表土体沉降的规律，且开挖工程没有考虑围挡支护对周围土体变形的影响REF_Ref1464\r\h[4]。笔者主要利用有限元对基坑开挖过程进行数值模拟分析，研究深基坑开挖过程中对周围土体产生的一系列影响，如：应力和位移的变化，以便为以后的工程提供参考和借鉴。1.工程概况某地铁换乘站位于两条大道交叉处，呈南北走向，车站东北方向为锅炉厂，东南方向为城市广场和住宅区，西北方向为城市广场和学校，西南方向为城市广场。两大道为该市的主要道路，车流、人流较大REF_Ref1464\r\h[4]。在换乘地铁站的周围地表之下45m之内的地基土属于第四系（Q）沉积地层，土体主要是黏质粉土和粉质黏土，其参数如表1所示REF_Ref2986\r\h[5]。表1土体参数土层编号土层名称重度γ/（kN/m3）黏聚力c/kPa黏聚力c/kPa土层厚度/m1杂填土19.05152.419黏质粉土18.322226.620黏质粉土18.423256.025黏质粉土18.325249.0该车站主体为框架结构，属于两层三跨的钢筋混凝土箱型，基坑长为220．6m、标准段宽为21．5m、深约为16．8m，端头井段宽为26．7m、深约为18．7m，同时实施的换乘节点处基坑深度约为24．0m，基底埋深最深处为15．5mREF_Ref3188\r\h[6]。此高铁站基坑的开挖方式为明挖法，基坑深为16．8m，主体围护结构采用间隔钻孔灌注桩和设3道钢支撑的支护形式REF_Ref3188\r\h[6]。3道钢管内支撑分别设置于－1m、－6．5m、－12．5m标高处，第一道支撑水平间距为6．0m，第二、三道支撑水平间距为4．0mREF_Ref3188\r\h[6]。基坑的围挡支护形式如图1所示。图1标准段围护结构横断面图数值模拟2.1计算方法本文采用有限元软件对基坑开挖与围挡支护过程进行模拟，对基坑开挖的工况以及支护手段进行数值分析REF_Ref3188\r\h[6]。在建立基坑模型时，设定土体以及围挡支护结构的材料都是均质和各向同性的REF_Ref3188\r\h[6]。基坑模型的长、宽、高均为24m。模型将土体分为4层，层厚分别为2．4m、6．6m、6．0m和9．0m，然后对每一层土体进行参数赋值，如表1所示REF_Ref3188\r\h[6]。对赋值模型进行网格划分后，采用摩尔库伦模型进行模拟计算，获得模型的初始平衡状态REF_Ref3188\r\h[6]。最后，进行工程开挖和支撑，或改变边界条件进行工程的响应分析，通过显式有限差分程序的方法进行求解REF_Ref3188\r\h[6]。2.2模拟开挖利用Abaqus有限元软件对基坑开挖的过程进行模拟。参照实际的高铁站的例子进行建模，然后根据模型产生的应力以及水平和竖直位移等云图对深基坑开挖过程中的受力及位移变化进行分析，从而的到基坑开挖过程中对周围土体的影响。本次建模取基坑长（x方向）为24m、宽（y方向）为12m、高（z方向）为24m。开挖深度为7m。图2为开挖到地下7m（z＝－7）时的开挖网格图图2第一次开挖网格图2.3模拟结果分析2.3.1主应力分析从图中可以看出，在深基坑开挖过程中，在基坑的坑底和围护结构两边尤其是基坑底部靠近围挡结构的地方极易出现应力集中等现象，该部分受力情况较为复杂，产生最大主应力，最大主应力方向向下且在开挖过程中会出现从上到下会呈现逐步增加的趋势。开挖后和未开挖时相比，在同一水平位置上，未开挖部分的最大主应力都比开挖部分的最大主应力小。此种现象符合基坑开挖过程中土体应力的变化规律。图3第一次开挖主应力分布图2.3.2纵向位移分析从图中可以看出，在深基坑进行土体开挖时，始应力场被破坏，土体中的应力重新分布，基坑周围土体有轻微隆起，较远处有轻微沉降，基坑底部出现隆起。随着基坑开挖深度的不断增加，基坑底部土体的纵向位移量逐渐增大。基坑底部有很明显的隆起，越靠近基坑的中心，基坑底部隆起量就越大。基坑周边地表有沉降，现降量随着到基坑坡顶距离的增大而逐渐减小。图4第一次开挖纵向位移变化图2.3.3水平位移分析可以得出：（1）在深基坑的开挖过程中，深基坑的侧向约束力会慢慢的被解除掉，基坑周围的土体会出现水平位移。（2）在开挖深度不断增加的情况下，开挖平面上的水平位移在逐步增大，而开挖面以下土体的水平位移是先增大后减少。这是因为第一次开挖坑底产生隆起，故开挖面以下产生较大的位移，随着围护结构支撑的逐步到位，水平位移逐渐减小。在深基坑开挖的过程中，水平位移会产生先增大后减小的现象,开挖面的土体向基坑内部移动的位移较大。图5第一次开挖水平位移变化图结语本文根据基坑开挖及支护的工程特点，采用Abaqus有限元软件对基坑开挖的最大主应力、纵向位移和水平位移进行分析，得出如下结论：（1）最大主应力主要集中在坑底和围护结构的两侧，在坑底和基坑边坡的区域容易出现应力集中的现象，故在基坑工程施工过程中，应特别注意此区域的结构强度。（2）基坑底部和基坑周围的土体有明显的隆起，这表明基坑开挖对基坑底部底板的强度要求高。基坑对周围的土体影响较大，尤其是周围有建筑物时，应控制其对周围土体的位移影响。（3）在开挖至深基坑底部的时候，基坑靠上部分的水平位移达到最大。在施工过程中，应加强该部分的水平支护。需要说明的是，本文仅考虑了基坑开挖对周围土体的影响，对周围建筑或堆载的影响有待进一步研究。参考文献侯永茂,王建华,陈锦剑.超大型深基坑开挖过程三维有限元分析[J].岩土工程学报,2006(S1):1374-1377.陆新征,宋二祥,吉林,眭峰.某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三维有限元分析[J].岩土工程学报,2003(04):488-491.张戎泽，钱建固．基坑挡墙变位诱发地表沉陷的模型试验研究［J］．岩土力学，2015，36（10）：2921－2926．李连祥，符庆宏，黄佳佳．砂土地基和粉质黏土地基基坑悬臂开挖离心模型试验［J］．岩土力学，2018，39（2）：529－536．胡之锋，陈健，邱岳峰，等．挡墙水平变位诱发地表沉降的显式解析解［J］．岩土力学，2018，39（11）：4165－4175．钱建固，周聪睿，顾剑波．基坑开挖诱发周围土体水平移动的解析解［J］．岩土力学，2016（12）：3380－3386．CLAYTON，C．RI．Stiffnessatsmallstrain：researchandpractice［J］．Géotechnique，2011，61（1）：5－37．陈昆