【基坑边坡支护的应用及有限元分析5300字（论文）】

基坑边坡支护的应用及有限元分析摘要在中国城市化的背景下，为了满足人们的使用需求，大规模和高层建筑的数量与日俱增。根据施工现场地质条件和地形的限制，许多施工单位采取基坑开挖的方式。与此同时，基坑支护施工技术涉及深基坑挡土墙和基坑的加固和施工。由于受施工现场状况和降水条件的影响，放坡支护不能保证边坡安全可靠的要求，需要确定一种更加安全适用的支护措施.本文采用强度折减的有限元法对基坑边坡进行模拟，将支护后的边坡与自然放坡情况下的边坡进行三维数值分析。强度折减的有限元法对本研究具有一定的可行性，自然放坡受到周边荷载作用以及降雨条件下雨水入渗等因素的影响，边坡稳定性将得不到保障，采用锚拉支护能够避免贯通面的出现，从应力和变形角度分析，锚拉支护在桩身位移、桩身弯矩以及桩身剪力方面较自然放坡都有明显的变化。锚拉支护在本研究中具有一定的工程价值，能够有效应对复杂的现场状况。关键词：强度折减法；有限元法；基坑开挖；边坡支护；锚拉支护目录引言 31基坑开挖以及支护方式概述 32工程概况 42.1工程现场状况 42.2工程地质条件 43.荷载作用下的边坡稳定分析 44锚拉支护在基坑边坡支护中的应用 64.1锚拉支护下拉杆自由段长度的确定 64.2锚拉支护下拉杆锚固段长度的确定 75基于强度折减法的有限元边坡分析 75.1有限元法概述 75.2有限元法特点 75.3有限元分析确定滑动面 85.4模型基本假设与土体本构关系选取 85.5自然放坡下的有限元分析 85.6锚拉支护条件下的边坡有限元分析 96结论 11参考文献 11引言随着工程项目在中国的快速发展，出现越来越多的大型地下工程。为了达到建筑物的稳定性，对基坑工程的要求也越来越高。边坡支护技术能有效地提供地下施工空间和安全保障。在边坡支护施工过程中，根据建设项目的总体规划，严格进行施工前障碍清理，建立施工的警示牌，同时，在机械施工过程中，严格按照施工操作规范来进行施工，并要求现场驻地专业指挥人员在深基坑施工周围的安装护栏，确保围栏的稳固安全，避免滑动，从而确保基坑的施工符合设计标准。基坑开挖是基础工程施工过程中的难题，也是工程界研究的重点课题之一。在不同的工程地质条件和现场环境下选择适合的施工方案和边坡支护手段成为基础工程施工的决定性因素，如何更为有效、更为经济合理的选取边坡支护方案成为开发商、设计单位以及施工单位聚焦的热点问题。基坑支护结构的安全和稳定受到工程地质条件、水文地质条件、场区建筑物分布情况、降雨条件下雨水入渗等因素影响，使得设计考虑的因素较多而使有限元分析较为复杂.李青青[1]从研究临近建筑物对基坑变形、支护结构位移出发，确定了建筑荷载作用下应力有效影响范围，对于实际工程具有一定的参考价值，刘天水[2]通过建立合理的三维边坡降雨入渗模型，综合考虑地表径流与地下流，并进行了流固耦合计算，对不同降雨强度下三维边坡的变形进行分析。锚拉支护是当下基坑支护常用的一种支护方式，针对锚拉支护的应用，王邓峮[3]通过数值模拟研究了预应力锚杆支护方式，由此说明了锚拉支护能够更好的控制基坑的水平位移与坡顶沉降，同时，锚杆的安放位置对支护结构的稳定性也有一定的影响。通过ABAQUS有限元模拟，直观的从边坡塑形应变分布图中观察了边坡滑动面的位置和形状;同时通过数值模拟计算知，采用了锚拉支护方式能够更好的维持边坡的稳定，且计算精度更高。1基坑开挖以及支护方式概述通过对有关的资料进行分析，我们可以知道，在建筑施工项目进行的过程中，基坑开挖工作在其中占有十分重要的位置，基坑开挖工作是基础施工工作的一部分，因此，一直以来都受到了有关人员的广泛关注。一般情况下，影响基坑开挖工作效率的因素有很多，其中，施工现场的实际情况、施工方案的选择等等都会在一定程度上影响基坑开挖工作的效率。在这种情况下，选择合适的支护方式对施工效率的提升有非常重要的影响。现阶段，影响施工项目进度的最关键的一个因素就是支护方式的选择，合理的对支护手段进行确定对施工进度的提升十分关键。由于基坑支护结构十分复杂，因此，在选择支护方式时需要考虑多种因素，选择有限元的方法可以降低计算的复杂性。2工程概况2.1工程现场状况某工程项目总建筑面积74478.9平方米，其中，61#楼、62#楼、67#楼为高层框架结构，56#楼、57#楼为多层建筑，以上项目正处于结构封顶，78#为小学教学楼，正处于基础工程施工阶段，基础形式采用柱下独立基础，基坑为深基坑形式，为防止边坡失稳，因此采用放坡开挖，开挖深度为5m，坡角为60°。其中61#、62#在基坑附近，距离基坑边缘4.5米处为施工道路。2.2工程地质条件勘测过程中共布置钻孔66个，补充钻孔4个，间距约20～25m，孔深10～15m。报告显示，场地除1层杂填土外，其余主要地层均可做天然地基，并且在勘探区内，工程地质条件较好，地层分布较均匀，局部地基具有不均匀性。3.荷载作用下的边坡稳定分析从边坡所受荷载进行分析，主要包括周边建筑物建筑荷载作用下对侧向土体的挤压作用和因施工道路车辆通行造成的振动荷载。针对建筑荷载下边坡稳定性的问题，通过研究临近建筑物对基坑边坡的影响，得到了建筑荷载和土体双重作用水平应力分布、竖向应力分布、剪应力分布图，分析结果见图1。图1建筑荷载及应力图由图1对比可知：（1）在建筑荷载的作用下，地层中的水平应力、竖向应力、剪应力主要集中分布在建筑基础的正下方，并且向四周扩散，形成了一定的影响范围，与此同时，三组应力在分布形式上来看，都呈现出了一定规则的形状；（2）建筑物影响下的水平应力值与竖向应力值变化范围是一定的。根据现阶段的研究发现，建筑荷载P值越大，基础宽度B越大，在土体介质中应力影响深度范围也就越广，并且对于影响范围内的任意一点，土压力值与建筑荷载值成正比。4锚拉支护在基坑边坡支护中的应用本项目中的锚拉支护是将水平挡土板支在柱桩内侧，柱桩一端打入土体当中，另一端用拉杆与锚桩拉紧，在挡土板内侧回填土。其支护形式见图2，其主要也适用于开挖深度不大的基坑。针对该种形式的锚拉支护，主要借助拉杆和锚桩之间的相互作用以及拉杆和土体之间的摩阻力来传递作用力。图2锚拉支护简图由图2可知，拉杆根据主动滑动面，分为自由段(非锚固段)和锚固段。自由段处于不稳定土层当中，拉杆与土层脱离，一旦土层滑动，可以自由伸缩，其作用是将锚头承受的荷载传递到锚固段，锚固段处在稳定土层当中，其与周围土层牢固结合，将拉杆所承受的荷载分布到周围土层中去;锚拉支护的承载力取决于拉杆强度、拉杆与锚固体之间的握裹力、锚固体与土壁之间的摩阻力等诸多因素。如若要增加锚杆的承载力，不仅需要增大锚固体的直径，而且应增加锚固体的长度［4］，根据相关理论研究，锚固体的锚固深度要超过滑动面的位置，只有这样才能保证边坡的稳定性。4.1锚拉支护下拉杆自由段长度的确定锚杆自由段长度应该根据滑动面的实际距离与锚杆在土体中的锚固角度来确定。lf=ltsin(45°－φ2)/sin(45°+φ2式中:lt为拉杆端部至面壁底端之间的距离;ψ为土体内摩擦角;θ为拉杆与水平方向之间的夹角。根据相关规范和相关学者的研究，拉杆自由段的长度一般不宜小于5m。4.2锚拉支护下拉杆锚固段长度的确定从地勘报告显示，基坑土质为粉质粘土，根据GB50007-2002规范得知，粉质粘土其塑形指数介于10～17之间，属于粘性土。因此，在对锚固段进行确定时，应该用式(2)进行计算。la=KNπDqs式中:D为锚固体的直径;K为安全系数，可取1.6;qs为土体与锚固体的粘结强度;π为常数;N为相应于作用的标准组合时，锚杆所承受的拉力值。5基于强度折减法的有限元边坡分析5.1有限元法概述现阶段，工程项目在进行的过程中使用有限元的方式对支护方式进行确定十分的常见，最近几年来使用最广泛的有限元的方式为ABAQUS有限元法。最经典的方法为“强度折减法”。也就是说，通过折减模型材料的粘聚力和摩擦角，观察模型的塑性区发展和剪切变形程度。5.2有限元法特点应用此种方式进行计算时，需要考虑四个关键的特点，这四个特点分别是：（1）降低支护结构以及排水体系对土壤结构的影响，建筑物在修筑的过程中，周围土质的情况对建筑物质量的影响程度较大，因此，选择支护方式时要注重对土质结构的保护；（2）严格的按照有关公式的计算确定剪胀角的度数，没有特殊要求的情况下，要将剪胀角的度数限制在零左右，以此来提高精准程度；（3）有限元模拟方式的选择也非常的重要，使用最广泛的有限元模拟方式是三维有限元模拟法，三维有限元模拟法对提高边坡稳定性有非常重要的作用，但是需要特别注意的是，选择有限元模拟方式时应该按照对称性的工作原理；除此之外，周围土壤结构的限制能力也应该考虑进内。在应用不同的支护方式时应该选择不同的支护方案，支护方案的确定非常的重要，要根据施工现场的实际情况进行确定。5.3有限元分析确定滑动面在应用有限元分析自然放坡时，需要对滑动面进行确定，在对滑动面进行确定时需要考虑多种因素，采用极限平衡分析的方法可以提高滑动面确定的精准程度，一般情况下，滑动面的形状以圆弧状为主，在确定滑动面时，我们需要应用到不同的软件，现阶段，使用最广泛的软件技术为ABAQUS软件。5.4模型基本假设与土体本构关系选取为深入研究边坡支护方案的相关力学性能，应用ABAQUS有限元进行数值分析。在进行有限单元法的分析时，简化计算的同时要符合工程的实际状况，本文对模型进行如下简化:(1)忽略支护结构施工和排降水对土体原有性质的影响;(2)剪胀角等于零;(3)利用对称性，采用三维有限元模拟对边坡的稳定性进行分析;(4)针对锚拉支护，锚杆和柱桩之间采用约束。5.5自然放坡下的有限元分析在边坡稳定分析中，我们需要确定滑动面的位置，图3与图4为计算终止时的位移等值云纹图。图3强度折减系数Fs=1.4等效塑形应变分布区图4强度折减系数Fs=1.65等效塑形应变分布区图3强度折减系数Fs=1.4等效塑形应变分布区图4强度折减系数Fs=1.65等效塑形应变分布区由图3与图4可以清楚的判断出滑动面的位置，与极限平衡分析法中的一样，呈大致的圆弧状［5］，并且通过坡角点。基于ABAQUS软件，在某些情况下，根据总位移等值线无法判断滑动面位置，在这种情况下缩减积分单元得到位移等值线，由于位移中包含了第一步中由重力荷载引起的位移，无法得到滑动面位置，因此，此处需要考虑一个事实，土坡有失稳的趋势需要在增量位移中得到反映，因而通过计算终止的最后一个增量步的增量位移来判断［6］。5.6锚拉支护条件下的边坡有限元分析经过ABAQUS后处理，锚拉支护下的边坡应力云纹图如图5所示：图5锚拉支护塑形应变示意图锚拉支护的作用机理与当下被应用到工程领域的斜撑支护相似，其主要采取相应的加固方式对柱桩进行加固，通过对锚拉支护进行有限元分析及拉杆轴力验算，证明了锚拉支护有足够承载能力来保证边坡的稳定性[9]，但是，锚杆设置的位置不同，其支护效果也不同。由于锚拉支护下支护结构的受力较为复杂，因此，采用弹性地基梁法对模型进行简化，其计算简图如6所示。图6平面弹性地基梁法计算简图图6平面弹性地基梁法计算简图根据弹性地基梁法的相关理论[10]，土体由于产生横向抗力而导致柱桩产生一定的位移，二者成正比例关系，其关系式可表示为：p=kxyb0（3）式中:p为土体产生的横向抗力;kx为土的水平反力系数;y为柱桩在土体作用下的横向位移;b0为柱桩的计算宽度。本文在对锚拉支护的研究中，主要采用弹性地基梁法［11］，横向荷载集中在竖向弹性处，以水平力H0和弯矩M0为主，当桩身有水平荷载q(z)时，可以得到如下关系：d4y/dz4+a5yz=0(4)式中:z为柱桩的打入深度;a为柱桩的变形系数;a=5mbo/EI，m为地基土水平抗力比例系数，b0y=y0A1+φ0aB1+M0a²EIC1+H任意深度处的弯矩为：M=aEI(ay0A2+φ0B2)+M0C2+HoaD2任意深度处的剪力为：H=a²EI(ay0A3+φ0B3)+aM0C3+H0D3（7）式中:H0和D0为柱桩上承受的荷载;y0和φ0为接近地面处的位移与转角;A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、D3、D4为常数，在计算过程中，以上常数可以通过查表获得;EI为维护结构的抗弯刚度。图7锚拉支护下桩身位移分布图本文根据实际工程状况，在距离坡顶1.5m处设置拉杆，进一步维持边坡的稳定性，通过桩身位移分布发现，锚拉支护下桩身位移为12.5mm，符合我国基坑支护规范［12］中对支护结构侧向位移的限定值(桩长的范围11.25～13.5mm)，锚杆支护下桩身位移分布图如图7所示。图7锚拉支护下桩身位移分布图6结论在计算基坑边坡稳定性时需要考虑多种不利的因素，不仅要考虑周围的地质情况，还需要考虑施工现场的实际情况。(1)强度折减的有限元分析比传统的极限平衡法更加方便简洁，计算结果与实际状态符合的更好。采用了锚拉支护方式，通过数值模拟计算发现锚拉支护能有效抑制滑动面的出现，其分析过程具有可行性，计算结果可靠度较高。(2)运用弹性地基梁法对锚拉支护下边坡进行分析，研究结果表明，锚拉支护对于维持边坡稳定性具有良好的效果。参考文献[1]李青青．邻近建筑物对基坑工程影响的研究［D］．西安:长安大学，2016．[2]刘天水．三维土质边坡降雨入渗及稳定性分析［D］．沈阳:沈阳建筑大学