埃塞俄比亞國家銀行超深基坑支護優化設計

柯昌仁，田 東

（1.十五冶第一工程有限公司，黃石 435000；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070）

1 ANSYS軟件簡介

ANSYS有限元分析軟件是一種集很多學科為一體的綜合性軟件，在很多方面都應用廣泛，比如電子電器、計算機科學、機械、水利工程以及一些生物方面的科學研究都用到了此類技術［1］。ANSYS有限元分析軟件有著非常強大的功能，比如ANSYS在建模方面異常強大，他可以建立各種復雜的模型，建模的方法有單一的從底到上、從頂到下和兩者混合使用幾種方法，可以根據用戶所需的方法去構思采用哪種方法。其次ANSYS軟件的求解功能也異常強大，它有著很大的計算功能，并且提供了很多的計算方法，也可以根據不同的需要自行選擇［3］；ANSYS具有非線性的求解分析能力強的特點，特別是在土體的分析中有著強大的功能。同時ANSYS有限元分析軟件也有著強大的分析能力，針對結構的設計優化有自己獨到的求解優化過程。其還可以與很多其他軟件接口，能夠與其他軟件的資源相互交流。

2 WEGAGEN銀行大樓深基坑工程簡介和數值模擬

2.1 工程概況

WEGAGEN銀行大樓位于埃塞首都亞的斯亞貝巴市中心，是一棟集辦公、購物、餐飲為一體的高層建筑。工程場地現已有圍墻封閉，該工程用地面積2263m2，建筑物占地面積1900m2，現場場地平坦，周邊均有建筑物，場地狹小。該辦公大樓地上24層，地下3層，總建筑面積為32159m2；地下室基底最大深度15.2m。基礎設計為人工挖孔灌注樁，地下室筏板基礎，地上主體為現澆鋼筋砼框架－剪力墻結構。

2.23 種工況的有限元計算模型

2.2.1 樁墻全支撐支護結構

支護樁采用的混凝土的設計強度是C35，樁的直徑也都為1000mm，鋼筋的保護層厚度為50mm，在基坑支護邊上，各個剖面的支護樁的有效樁長都為21.15m，支護樁的頂部采用的是厚度為900mm、寬度為1200mm的冠梁連接為一個整體，樁與樁之間的間距都是1.30m，樁間的土體都是采用掛鋼模網噴射的混凝土，其他的設計內容均參照國家現行的相關規范和規程。全支撐采用的是Solid45單元，具體的ANSYS網格劃分模型如圖1（a）所示。

2.2.2 樁墻角支撐支護結構

支護樁及冠梁等結構與樁墻全支撐支護結構相同，基坑角撐也是采用的是Solid45單元，具體的網格劃分模型如圖1（b），在樁墻角支撐模型的網格劃分中，支撐的網格劃分加密，同時在內支撐中的立柱樁樁底采用固結形式。

2.2.3 樁墻錨撐支護結構

支護樁及冠梁等結構與樁墻全支撐支護結構相同，在該工程中樁土的模型均采用的是8節點單元的模型，樁墻采用的是Solid65單元。土體采用的是Solid45單元；由于在基坑中錨桿只有沿著桿方向的受力，所以采用的是Beam8單元，樁土之間的接觸采用的是Target170單元和Contact173單元，單元網格的劃分采用的是體掃掠網格劃分，在基坑的周邊均采用的是無水平約束，具體詳細ANSYS模型如圖1（c）所示。

3 模擬結果與分析

WEGAGEN銀行大樓項目深基坑開挖過程中可以運用各種類型的支護結構來圍護基坑，防止基坑產生很大的側向位移及基坑隆起，通過ANSYS分別模擬3種工況在基坑開挖完成之后的結果分析如下：

3.1 樁墻全支撐支護結構

當土體在開挖完畢之后，基坑的水平位移如圖2所示。

由圖2可以看出，在基坑開挖完成后，基坑的最大位移在基坑的最底部位置，為15.2mm，為基坑開挖深度的0.116%，遠遠超過了規范所要求的位移值，完全符合設計規范要求。

從圖3可以看出，其沉降量的最大值也主要集中在基坑的周邊坐落的幾棟房子周邊；同時在基坑的底部并沒有出現隆起的現象，反而是出現了基坑的底部沉降，其沉降量最大為12mm左右，滿足要求；同時基坑的最大豎向位移與樁墻錨桿支撐和樁墻角支撐的位移基本一樣，為37.6mm，為基坑開挖深度的0.288%，符合規范要求設計值。

3.2 樁墻角支撐支護結構

當土體在開挖完畢之后，基坑的X方向的水平位移如4圖所示。

由圖4可以看出，在基坑開挖完成后，往基坑內部方向的水平位移的最大值為24.1mm，為基坑開挖深度的0.184%，完全符合設計規范要求。土體的最大位移在中上部的位置；而在基坑的西面基坑的位移全高位移相差不大，都在12mm左右。

從圖5可以看出，其沉降量的最大值集中在基坑的周邊坐落的幾棟房子周邊；同時在基坑的底部并沒有出現隆起的現象，反而是出現了基坑的底部沉降，其沉降量最大為8mm左右，滿足要求；同時基坑的最大豎向位移與樁墻錨桿支撐的位移基本一樣為37.6mm，為基坑開挖深度的2.88‰，符合規范要求設計值。

3.3 樁墻錨撐支護結構

當土體在開挖完畢之后，基坑X方向的水平位移云圖如圖6所示，從圖中可以看出，在基坑開挖完成后，往基坑內部方向的水平位移的最大值為30.3mm，為基坑開挖深度的0.232%，符合設計規范要求。基坑的位移隨著基坑的深度先逐漸變大到然后慢慢減少，土體的位移變化也是中間大，兩邊小。

從圖7可以看出，其沉降量的最大值主要集中在基坑的周邊坐落的幾棟房子周邊，同時在基坑的底部并沒有出現隆起的現象，反而是出現了基坑的底部沉降，其沉降量最大為12.7mm左右，滿足要求；同時基坑的最大位移為37.5mm，為基坑開挖深度的0.287%，符合規范要求設計值。

4 結 語

通過該文上述工程模型的理論計算表明，對于樁墻錨桿支護體系，當基坑開挖完成后，基坑的最大水平位移為30.3mm，為基坑開挖深度的0.232%；而對于樁墻角支撐支護體系和樁墻全支撐支護體系，其開挖完成后的最大水平位移分別為24.1mm和15.2mm，分別為開挖深度的0.184%和0.116%；三者支護形式都滿足安全性的要求。雖然后兩者基坑支護安全儲備位移高，但是對于整個工程的經濟是一種浪費。

通過計算理論分析，三個模型中基坑在四個角位置的位移較小，每一邊的最大位移基本上都在每一邊中間位置左右，而且沿著深度方向，除全支撐外，其他兩個模型都是沿著深度的加深，位移的變化先變大后減小到最小，同時也證明了基坑開挖的過程中三維的空間效應，支護可以采用多樣的形式來達到基坑支護設計的優化。

超深基坑開挖的過程本就是一個相當復雜的動態過程，基坑開挖的過程中，基坑產生的最大水平位移不一定在基坑開挖完成以后，也有可能產生在基坑開挖的過程中，所以在建立模型的時候還需要考慮開挖過程中的工況問題，對基坑開挖整個過程仿真模擬，更能充分的反映基坑開挖過程中最大位移的時間和地點。

［1］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］尹 雙，張仲先，王 勇.深基坑支護方案的分析與優化［J］.巖土工程技術，2005，19（3）.

［3］郝文化，葉裕明，劉春山，等.ANSYS土木工程應用實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］肖武全，冷伍明.深基坑支護結構設計的優化方法［J］.巖土力學，2007，28（6）.

［5］尹雙張，仲 先，王 勇.深基坑支護方案的分析與優化［J］.巖土工程技術，2005（3）：152－154.

［6］施 晉.基于ANSYS多支點排樁圍護結構的計算模擬［D］.合肥：合肥工業大學，2006.