基于ANSYS有限元的樁錨支護結構分析

崔艷艷，李晶晶，張淼

（河南質量工程職業學院，河南平頂山467000）

基于ANSYS有限元的樁錨支護結構分析

崔艷艷，李晶晶，張淼

（河南質量工程職業學院，河南平頂山467000）

錨樁支護作為一種新型的支護結構，具有工期短、支護能力強、施工方便等諸多優點，已經成為深基坑支護的首選方案。該文以某住宅樓的深基坑支護為典型案例，運用ANSYS有限元軟件建立了錨樁支護的有限元計算模型，通過ANSYS模擬的剪力圖和彎矩圖，對支護樁的受力情況作了詳細介紹，得出了樁彎矩隨基坑開挖深度增大而增大，但在基坑開挖底部會發生彎矩變化的結論，為指導工程施工，防止基坑坍塌提供了重要的理論支持。最后，通過對支護結構的位移觀測數據，證明錨樁支護在深基坑支護中應用成功，為今后類似基坑工程的施工積累了經驗。

ANSYS；樁錨支護結構；深基坑支護；基坑監測

0 前言

隨著我國建筑行業的發展，越來越多的高層建筑拔地而起，由此產生了大量的深基坑工程，城市施工周邊環境復雜，更是增加了深基坑支護的難度，如何保證支護結構的力學特性，保證基坑工程施工安全，是當前工程界的熱點問題[1]。支護結構不僅要能保證基坑邊坡的穩定，還要能夠保證周圍環境的安全。樁錨支護結構主要是由樁、冠梁、錨桿組成，支護樁是受力的主要構件，錨桿通過錨桿端部產生拉力和支護樁一起維護支護結構的穩定，共同抵抗土體的受力。

樁錨支護結構現已成為一種常用的支護方法在工程上采用，傳統的樁錨設計一般采用等值梁法[2]，但這種設計方式一般只能作穩定分析，沒有將土體的變形考慮進去，根據以往的工程實踐，極限平衡法在土體參數的選取上過于保守，造成樁錨支護結構不符合經濟性。有限元法將支護結構和土體變形協調，對樁錨結構的設計理論有著積極的意義，所以對于深基坑支護這樣的工程難題，運用有限元處理軟件是解決深基坑支護的有效方法[3]。本文結合工程實例，運用數值分析軟件ANSYS建立深基坑模型，對支護樁的樁身穩定性做了分析，對指導工程設計和施工有著積極的意義。

1 工程概況

1.1 工程概況

禹州市東區某小區3#住宅樓設置地下室二層，基坑東南西三個部分基坑底部標高長度為34.8m，基坑支護深度為6.5～10.1m，北部基坑支護深度為4.7m，原來的基礎形式為人工挖孔樁基礎，后經過設計變更，改為筏板基礎。該工程地下水主要為第四系土中的上層滯水，水量隨季節變化，對場地的主要影響不大，各地層均為弱透水層，不用考慮地下水流的影響。根據勘察報告，主要地層巖性為：第四系沖積層粉質粘土、第四系殘積層粉質粘土、第三系強化泥質粉砂巖、第三系中風化泥質粉砂巖、第三系強風化礫巖。

1.2 支護形式的選擇

基坑支護形式采用樁錨支護，安全等級按一級基坑支護考慮。面層采用土釘網噴射混凝土，土釘孔徑130mm，錨筋采用直徑為25mm的HRB335級鋼筋，噴射混凝土強度為C25，厚度為100mm，網鋼采用Φ6.5@200綁扎。冠梁尺寸為700×1200mm，冠梁的混凝土強度等級為C30。

2 基于ANSYS的樁錨結構計算過程分析

2.1 計算假定

為簡化模型，特對基坑的結構模型進行簡化，引入以下假定：（1）將基坑支護問題假設為平面應變問題；（2）假設土體和支護結構為均勻介質、各向同性；（3）假設土體材料為理想彈性體，在ANSYS中遵守Drucker-Prage準則；（4）將上部公路擋墻部分簡化為荷載；（5）錨桿和支護樁均按照彈性體考慮，錨桿的錨固作用以在錨頭處施加集中力表示；（6）支護結構與土體接觸關系按照共節點但介質不同考慮，不考慮接觸之間的滑移[4]。

為準確模擬出樁錨支護結構的受力效果，需要對整個支護結構進行簡化，將擋土墻部位簡化為荷載，根據土質的不同將土層的受力分為五層，簡化后的模型如圖1所示。

圖1 計算模型簡化圖

2.2 單元選型及模型參數的取值

根據樁錨支護的特點和有限元計算方法的基本理論，本文模型選用二維模型，將排樁采用BEAM3單元，基坑的土體采用PLANE42單元，錨桿采用LINK8單元，為保證計算的速度和結果的精度，在劃分網格時，土體網格劃分為四邊形網格，單元網格大小為1個單位，排樁的網格劃分為0.5個單位。土體與樁錨材料的模擬參數取值如表1所示。

表1 土體與支護材料的參數取值

2.3 計算結果顯示及分析

支護樁的彎矩圖（圖2）隨著深度的增加逐漸增加，在支護樁與基坑底部的接觸部位受到的彎矩最大，樁的上半部分符合懸臂梁的彎矩圖，下半部分由于基坑底部土體的作用彎矩發生變化，符合理論受力情況。說明支護樁的整體剪力圖和彎矩圖符合理論情況，試驗模擬結果可以作為參考值。

圖2 支護樁的彎矩圖

支護樁受到的彎矩整體較大，說明支護樁發生彎曲破壞的可能性較大，最大彎矩出現部位基本位于隱蔽部位，在施工過程中很難發現，在對支護樁進行設計時，一定要保證支護樁能夠有足夠的抗彎能力。

根據支護樁所受的剪力圖（圖3）可以看出，隨著深度的增加支護樁的剪力逐漸減小，安裝錨桿部位樁的剪力變小，說明符合實際受力的情況。

圖3 支護樁剪力圖

3 基坑監測

3.1 監測方法的確定

在基坑的頂部設立監測點和沉降觀測點，對基坑的側壁側向位移和沉降進行觀測（表2）。基坑在開挖期間和遇到暴雨時每天觀測一次，其它時間每隔2d觀測一次，當地下室底板施工完畢后，如果沒有明顯的變形，則可以減少觀測次數，每周不少于2次；基坑回填后2個月內，每周觀測一次，監測記錄存檔保存[5]。

表2 監測值控制表

測點布置：選擇的監測點位置應受到的干擾較小，支護樁上設立的觀測點間距為18～20m，對于建筑物和公路地面的沉降觀測，應在基坑開挖影響范圍內設置特征點，間距在20～30m之間。

3.2 監測結果的分析

圖4 支護結構一月時的監測結果顯示

通過對基坑監測的數據進行曲線分析，如圖4所示，基坑的支護基本能夠符合要求，沒有超過設計允許值30mm，整個樁錨結構的支護位移值均在30mm以內，符合設計要求。

從支護樁的水平位移曲線分析可以看出，隨著支護樁深度的增加，支護樁的水平位移逐漸減小，在-16m以下的水平位移基本上趨于穩定，說明在基坑底面以下的水平位移基本上很小，但在開挖面以上，隨著深度的增加逐漸增加，位移變形最大處位于最上部，但最大位移在設計范圍內，說明整個支護結構能夠保持基坑穩定。

4 結論

樁錨支護作為一種新的邊坡支護結構，由于其自身的優點越來越受到人們的重視，本文采用ANSYS有限元軟件建立了樁錨支護結構的模型，對支護樁的內力和變形做了研究，尤其分析了支護樁的剪力和彎矩變化情況，根據數值模擬結果，得出了支護樁位移隨深度增加而增加的結論。根據樁的彎矩圖設計了支護樁的監測方案，通過分析監測結果，基坑的支護效果能夠滿足設計要求，可以保證施工過程中的安全，驗證了數值分析的合理性，為ANSYS軟件在錨樁支護領域的應用積累了工程經驗。計算模型的簡化勢必會對結果產生影響，這在今后的邊坡工程模擬中還需要改進。

[1]綦春明.深基坑水平閉合擋土拱圈支護的研究[D].長沙：湖南大學，2000.

[2]王立軍.深基坑樁錨支護優化研究及數值模擬[D].西安：長安大學，2014.

[3]付懷，龍麗娜，李敏.基于ANSYS有限元的樁錨聯合支護優化設計[J].建筑結構，2013（S2）：621-627.

[4]張浩.空間結構曲面造型算法及程序實現[D].杭州：浙江大學，2005.

[5]曹維.成都市百揚大廈深基坑支護數值模擬研究[D].成都：西南交通大學，2011.

責任編輯：孫蘇，李紅

新聞快讀

重慶加固事業緊追時代脈搏——重慶市建筑業協會加固分會舉行授牌儀式

重慶作為新興直轄市，經歷了城市建設的高速發展階段，建設行業都卯足了干勁，為建設美好家園奉獻自己的力量。重慶市加固業界在城市建設中肩負著特殊的歷史使命，以技術為武器，用質量作保障，為城市的穩定和發展發揮著積極的作用。他們積極順應時代的需要，大家抱團發展，共同探討新興技術，加強同業協作，于2016年成立了重慶市建筑業協會加固分會（下稱“加固分會”）。加固分會在重慶市建筑業協會的指導下，積極推動行業健康發展，為城市和諧發展貢獻著自己的力量。

日前，重慶市加固分會為會員單位舉行了隆重的授牌儀式。

建設部著名結構專家林文修先生到會祝賀。他在發言中把加固事業稱為朝陽產業。他說，中國正經歷轟轟烈烈的城市新建運動，而城市建設中，既有建筑的更新、改造和加固卻從來就沒有停止過前進的腳步。大量新老建筑并存的時代，加固事業必將成為我們建設行業的朝陽產業。我們的事業前程是光明。

重慶市建筑業協會副會長祁仁俊先生代表總會到會表示祝賀，對加固分會所作的工作給予了高度肯定，并對分會的運行寄予了殷切的希望。

加固分會會長熊啟東博士對加固分會2016年的工作進行了總結，對2017年的工作進行了部署。他說，2016年成立加固分會有了一個好的開端。2017年加固分會將堅持服務為宗旨，加強行業自律，發揮橋梁紐帶作用，擴大影響力，助推重慶市建筑加固業健康發展。

圖為重慶市建筑業協會副會長祁仁俊為會長單位重慶市建筑科學研究院授牌。

熊博士在工作報告中提出了2017年工作思路。首先，加固分會將借助本土科技平臺，與《重慶建筑》雜志合力推動行業技術進步，幫助重慶的加固企業建立自己的核心競爭力。第二，搭建起企業交流平臺，采取走出去，請進來的辦法，拓展企業工作視野，打造優質企業。第三，分會還將致力于規范市場，搞好行業自律，協同發展，創造和諧共贏的局面。第四，發揮政府與企業之間的橋梁作用，也是加固分會的核心工作之一。最后，熊博士指出，要加強組織機構建設，壯大分會隊伍，幫助重慶的企業不僅可以稱雄本土，還有力量走出重慶，創造更大的社會效益和經濟效益。

（本刊記者官正梅）

Application of Anchor Pile Support Structure Based on ANSYS Finite Element

As a new type of retaining structure,anchor pile support,with many advantages like short construction period,strong supporting ability and convenient construction,has been the first choice for deep foundation pit support.This paper takes the deep foundation pit support of a residential building as a case study,establishes the finite element calculation model for anchor pile support with the finite element software ANSYS,and describes the stress situation of the support pile based on the shear diagram and bending moment diagram simulated with ANSYS.It is concluded that bending moment increases with the deepening of foundation pit excavation and varies at the excavation bottom of foundation pit,which provides important theoretical support for construction guidance and foundation pit collapse prevention.In the last part,the data of displacement inspection on support structure proves the successful application of anchor pile support to deep foundation pit support and can offer some reference for similar programs.

ANSYS;anchor pile supporting;deep foundation pit;monitoring

TU473.1

A

1671-9107（2017）04-0044-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.044

2017-03-03

崔艷艷(1982-)，女，河南魯山人，碩士，講師，主要從事建筑工程技術專業的教學與研究工作。