基于ANSYS的軟土基坑支護工程仿真應用研究

丁曉斌　（安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽　蚌埠　233000）

基于ANSYS的軟土基坑支護工程仿真應用研究

丁曉斌（安徽水利開發(fā)股份有限公司，安徽蚌埠233000）

考慮基坑支護結(jié)構(gòu)應力場和變形微分方程的可比擬性，根據(jù)控制平衡方程及定解條件，運用ANSYS軟件中“生死”單元技術(shù)及網(wǎng)格自適應功能，對具有顯著流變特性的軟土基坑支護結(jié)構(gòu)及巖土的應力和變形進行數(shù)值模擬。計算成果表明，該方法能夠有效地分析軟土的復雜性狀及邊界條件、材料的非線性和幾何非線性［2］，可為同類工程設計、施工提供參考。

基坑支護；軟土；仿真應用；有限元分析

1　概述

由于軟土基坑特殊的區(qū)域地質(zhì)條件、破壞特征的多變性和復雜性，對基坑支護和變形控制帶來諸多的不利因素，目前軟土基坑的支擋結(jié)構(gòu)設計大都仍沿用古典土壓力理論（庫侖、朗金土壓力理論），實踐證明這種設計方法大都偏于保守［2］，而且此種設計對土體變形時效無法加以考慮。隨著土方開挖，支護結(jié)構(gòu)體系和外部荷載不斷變化，基于軟土壓縮性較大、抗剪強度低、流變性十分顯著等特點，利用有限元程序模擬整個施工過程，并對支護結(jié)構(gòu)進行計算和分析具有極其重要的意義。

2　數(shù)值模擬

2.1基本原理

基坑剛性支護結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)值模擬，是根據(jù)彈性力學中應力應變及虛功原理［2］，應用應力場的疊加原理，將真實的連續(xù)結(jié)構(gòu)或介質(zhì)用有限個僅在結(jié)點處鉸接聯(lián)系的離散單元的組合體來代替，并使這些單元按變形協(xié)調(diào)條件聯(lián)系，通過建立和求解整體平衡方程得出結(jié)點位移，并根據(jù)應變、應力與結(jié)點位移之間的關(guān)系分別得出相應的成果。

2.2數(shù)值分析

巖土和用于支護結(jié)構(gòu)的混凝土等材料都屬于顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度，且材料受剪時，顆粒會膨脹，此處采用彈塑性模型（Druker-Prager模型）可得到較為精確的結(jié)果。破壞準則采用Willianm-Warnke破壞準則。

支護結(jié)構(gòu)所用混凝土和巖土單元均采用Solid45單元，由于考慮樁土共同作用，隨著土體開挖，圍護結(jié)構(gòu)受力不斷增大，一般情況下要打開大位移且設置牛頓-拉普森選項為Full N-R。

3　工程應用

3.1支護結(jié)構(gòu)及巖土參數(shù)

采用ANSYS有限元分析方法，針對某基坑剛性支護結(jié)構(gòu)與相關(guān)巖土參數(shù)進行了支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及變形計算。模擬范圍和計算參數(shù)如下：基坑圍護采取鉆孔灌注樁支護結(jié)構(gòu)（見圖1）?；娱_挖坑深6.00m，基坑尺寸為40m（短邊）×80m（長邊），基坑圍護結(jié)構(gòu)采用φ600@1000鉆孔灌注樁，樁長為15.00m，樁項設置800mm×500mm冠梁，混凝土強度等級為C30。計算時考慮施工超載15kPa，各土層巖土物理力學指標見表1。

圖1　灌注樁剖面示意圖

巖土物理力學指標　表1

3.2有限元計算

在有限元模型中，巖土和圍護結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點的SOLID45實體單元模擬，實體單元采用掃掠（SWEEP）劃分方法將實體劃分為相對規(guī)則的六面體單元。因該基坑為規(guī)則的對稱形狀，通過ANSYS有限元程序計算，將1/4基坑數(shù)值模擬結(jié)果進行提取計算分析。

3.3成果分析

通過軟土基坑數(shù)值模擬，得到開挖后基坑長邊方向不同位置處灌注樁樁體的位移值（X為距角點的距離），見圖2；同時得到基坑長邊方向跨中位置灌注樁樁體沿深度方向的彎矩，見圖3。

圖2　基坑長邊方向樁體位移

圖3　基坑長邊方向跨中樁體彎矩

由圖2可知，隨著距角點距離的增大，樁體水平位移不斷增大，即跨中位移呈現(xiàn)最大值，并且隨著開挖深度的增加，樁體中下部的位移發(fā)展很快，開挖終了時，最大的側(cè)向位移發(fā)生在距樁頂6m附近；由圖3可知，跨中位移最大處灌注樁的最大彎矩值出現(xiàn)在距樁頂4m處，之后隨深度的增加彎矩值逐漸減小。

為防止土體被擾動后產(chǎn)生較大變形［3］，施工分三步開挖，每次開挖2m。基坑開挖后，由于基坑外圍土體發(fā)生松動，圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形且應力增大、基坑外圍地表產(chǎn)生沉降、位移。

圖4　開挖至坑底（6m）的坑壁應力等值線圖

圖5　開挖至坑底（6m）的基坑水平位移云圖

由圖4可知，隨著開挖深度的增加，灌注樁受力逐漸增大，開挖結(jié)束時，最大應力發(fā)生在距樁頂4m以下；由圖5可知，地表塑性區(qū)向后和向深部延伸，同時在坑底也開始出現(xiàn)塑性區(qū)，分析其原因由于軟土的壓縮性較大，基坑開挖后，側(cè)向變形受阻，而產(chǎn)生了一個更深部的旋轉(zhuǎn)滑移面和坑底隆起。

3.4實例驗證

將基坑長邊六根灌注樁水平位移計地表沉降數(shù)值模擬成果和施工過程中的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，驗證該數(shù)值模擬方法的可靠性，詳見模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比圖。

由圖6所示，數(shù)值模擬成果和基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)對比可看出，基坑模擬數(shù)據(jù)和施工中的監(jiān)測結(jié)果相差不大，變形趨勢基本一致。

現(xiàn)將長邊跨中位移最大處的灌注樁沿深度方向的水平位移數(shù)值模擬成果值與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較，見圖7。

圖6　灌注樁模擬成果值與實際監(jiān)測成果對照圖

圖7　長邊方向跨中灌注樁水平位移

由圖7可以看出，由于軟土的流變特性，樁的最大位移并非發(fā)生在樁頂，而是發(fā)生在距樁頂3m以下部分，與實際情況相符，所以三維有限元模擬分析成果和基坑真實情況在整體上相吻合。

4　結(jié)語

深基坑支護及開挖過程的數(shù)值模擬，與傳統(tǒng)的彈性法相比較，可以得出比較符合實際的模擬結(jié)果，同時能夠?qū)椥苑o法表達的基坑整體的變形、土體的位移、應力場的變化進行模擬分析。計算分析成果顯示：

①考慮軟土流變性對支護結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及合理選擇支護型式具有重要作用；

②采用有限元工具軟件中結(jié)構(gòu)分析功能可以簡便、精確的計算分析圍護結(jié)構(gòu)及土體各部分應力應變及位移等問題，提供能夠比較直觀反映實際情況的云圖，為設計施工等提供理論依據(jù)；

③數(shù)值模擬對于具有復雜邊界條件、材料的非線性和幾何非線性等情形的基坑剛性支護樁土共同作用分析計算尤其適用；

④采用適應性較強的有限元法模擬基坑整個施工過程，對灌注樁所受內(nèi)力作準確計算，可以對其應力、應變關(guān)系為工程進行適時支護提供指導。

［1］陳忠漢，黃書秩，程麗萍.深基坑工程（第二版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］楊光華.深基坑支護結(jié)構(gòu)的實用計算方法及其應用［M］.北京：地質(zhì)出版社，2003.

［3］JGJ120-99，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］賴永標，胡仁喜，黃書珍.ANSYS11.0在土木工程中的應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［5］章根德.土的本構(gòu)模型及其工程應用［M］.北京：科學出版社，1995.

［6］張引平.淺談深基坑支護結(jié)構(gòu)設計計算［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2004（4）.

［7］王國強.實用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實踐［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2000.

TU753.8

B

1007-7359（2016）04-0169-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.067

丁曉斌（1982-），男，安徽蚌埠人，畢業(yè)于安徽理工大學，本科，工程師。