基于ANSYS 的深基坑土釘墻支護數值模擬

牛中元

0 引言

基坑工程一直是巖土工程的一個重要課題，隨著社會發展，人口增多，人們對城市空間的需求不斷增長，隨著世界各個領域的發展，人們對于城市的概念也逐漸改變，如果說20世紀是高樓大廈的世紀，那么21世紀便是地下的世紀。各類地下設施如高層建筑物地下室、地下鐵道、海底隧道、地下街等各種形式，開發和建造這些地下空間的首要條件是穩固的基坑支護，所以深基坑還是當前最熱的研究課題。對此數值模擬還需要積累更多的模擬經驗，本文利用模擬結果，對實際工程方案進行了驗證。

1 工程概況

1.1 場地概況

擬建工程位于邯鄲市光明南大街東側，市口腔醫院對面。交通非常便利。占地面積約2300 m2。擬建1棟28層辦公兼住宅樓，采用框架剪力墻結構。設地下室兩層，基礎埋深為9.0 m，擬采用筏板下樁基礎，樁基擬采用鉆孔灌注樁或后壓漿旋挖式鉆孔灌注樁。深基坑占地面積45.0 m×50.0 m，基坑深度9.0 m，支護擬采用土釘墻形式。

各土層物理力學指標見表1。

表1 各土層的物理力學指標

1.2 方案選取

本基坑設計采用下面兩種設計方案:

方案一:土釘直徑110 mm，采用Ф22二級螺紋鋼筋，凈水泥漿重力灌漿，水泥標號425;洛陽鏟人工成孔，傾角15°，土釘平均長度9.0 m，間距1.5 m。坑壁放坡坡度為1∶0.2。噴射混凝土面層厚度100 mm，強度等級C20;內設鋼筋網，鋼筋直徑8 mm，網格尺寸200 mm。分6步設置土釘。

方案二:土釘直徑110 mm，采用Ф22二級螺紋鋼筋，凈水泥漿重力灌漿，水泥標號425;洛陽鏟人工成孔，傾角15°，土釘平均長度7.0 m，間距1.2 m。坑壁放坡坡度為1∶0.2。噴射混凝土面層厚度100 mm，強度等級C20;內設鋼筋網，鋼筋直徑8 mm，網格尺寸200 mm。分8步設置土釘。由于篇幅所限，本文只附上方案一的基坑模擬開挖過程。

2 開挖過程的模擬

2.1 各參數設計值的選取及模型建立

各參數設計值采用的數據見表2。

表2 各參數設計值

圖1 （方案一）生成的有限元模型

本文采用二維模型，建立X—Y坐標平面圖，工作經驗表明，基坑開挖的影響寬度約為開挖深度的3倍，影響深度約為開挖深度的2倍～4倍。本文所確定的模型X代表水平向、Y代表豎直向。坐標原點取開挖9.0 m深處的坡腳點。X正向取3倍基坑深度即27.0 m;27.0 m外應力影響很小可視為0。X負向取基坑中點即25.0 m;因為基坑坑壁對稱，該點X方向位移為0，且應力平衡。ANSYS建模幾何圖見圖1。

2.2 分步開挖的水平位移

第一步～第六步開挖的水平位移圖分別見圖2～圖7。

圖2 第一步開挖水平位移圖

圖3 第二步開挖水平位移圖

圖4 第三步開挖水平位移圖

圖5 第四步開挖水平位移圖

圖6 第五步開挖水平位移圖

圖7 第六步開挖水平位移圖

從圖2～圖7中可直觀地看出以下分布規律:離坑壁距離愈遠，則水平位移愈小;坑壁上最大水平位移發生在中下部位。

3 兩種方案的坑壁水平位移對比

兩種土釘墻支護方案的坑壁水平位移曲線同列在圖8中，以便于對比。

圖8 兩種方案的坑壁水平位移對比

可以看出，9.0 m土釘方案的水平位移值低于7.0 m土釘方案。分析其原因，雖然7.0 m土釘方案的土釘密度較9.0 m方案的大，但9.0 m的土釘更能夠發揮土體自承能力，使離坑壁較遠處土體也同時發揮較好的自承、自穩作用。

4 結語

從模擬分析結果看，ANSYS軟件能夠正確的對基坑開挖與支護進行數值模擬計算，得到了每步開挖的基坑水平位移圖，分析了不同土釘長度對基坑支護的影響，所得計算結果與前人理論結果趨勢相符合，也與工程實際及采用方案相吻合。對工程技術、設計人員有一定的指導意義。

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