基于ABAQUS基坑變形及預應力錨索內力分布規律的研究

張 華 祥

(河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056000)

由于樁—預應力錨桿(索)支護結構具有可靠性高、基坑變形小等優點，而被廣泛應用于邊坡和深基坑工程中[1,2]。然而對基坑變形的研究仍以經驗估算其變形，與實際變形有一定誤差，有待進一步研究。故針對邯鄲市某深基坑工程實例，運用ABAQUS[3]有限元軟件“生死單元”功能，對樁—預應力錨索支護進行施工過程的二維彈塑性數值模擬，并與監測結果對比分析，驗證了ABAQUS模擬基坑開挖的可行性，進而探討了預應力錨索應力分布規律，為預估基坑變形提供了一種有效的方法。

1 ABAQUS數值模擬與監測結果

1.1 工程概況

根據該工程勘察報告，該工程北部基坑深12.9 m，支護樁長21.9 m，入土深度9 m，沿基坑深度設置4排錨索，其長度分別為27 m,29 m,27 m,21.5 m，施錨位置分別在-3 m,-5.5 m,-8 m,-10.5 m，傾角均為15°，其基坑支護如圖1所示。

1.2 材料參數

樁、錨索材料參數見表1，土層材料參數見表2。

表1 樁、錨索材料參數

表2 土層材料參數

1.3 數值模型

有限元模型尺寸的確定原則是不顯著影響模擬的結果為準，借鑒前人的研究成果，模型參數Db,We,Be和Db′見圖2，取Db=1.2H,We=3Db,Be=3(H+Db),Db′=3H[4-6]，當基坑水平方向Db′,We,Be超過這些值時，對基坑變形的影響可以忽略。H=12.9 m,Db=15.48 m,We=46.44 m，Be=85.14 m,Db′=38.7 m。

模型兩側施加水平約束，底部設置水平和豎向約束，為了與基坑開挖工程的實際相符，利用ABAQUS中的“生死單元”功能來實現開挖過程的模擬。針對土體屈服準則選取問題，前人對M-C模型及D-P模型進行實際案例分析，熊春寶、雷禮剛[7]等研究成果表明:修正D-P模型理論較成熟，但作為近似計算，其參數誤差較大。在排樁基坑支護體系中，M-C模型計算的變形值與監測數據較吻合，而以修正的D-P模型得到的變形值偏大。結合本工程勘察報告及前人研究成果，本文擬采用M-C模型對其進行模擬。

基本假定：

1)由于地下水位較深，對分析影響較小，故不考慮地下水滲流的作用；

2)不考慮開挖對應力釋放的影響；

3)考慮到實際工程中，灌漿體錨固力足以抵抗拉拔力，故忽略錨索因拉力過大被拔出；

4)樁、預應力錨索分別采用梁單元和桁架單元進行模擬；

5)假設土體為各向同性的均質體，且呈層狀分布，采用M-C彈塑性模型的實體均質單元進行模擬。

2 結果分析與對比

模擬水平位移曲線如圖3所示。由圖3可知水平位移隨樁長呈中間大，兩端小，頂端位移較底端位移略大，最大水平位移發生在-11.5 m處，鄰近基坑開挖面部位，最大水平位移約為δ=42.9 mm。

實測數據經origin處理如圖4所示。由圖4可知，樁在開挖面附近發生最大位移，約45.2 mm，與模擬值相差約5.1%。由圖3，圖4對比可知，整體水平位移實測值較模擬值略大，但兩者基坑水平位移曲線基本擬合，呈“鼓肚形”，與黃鵬[5]研究成果相符，驗證了ABAQUS模擬基坑開挖的可行性。

有限元數值模擬的地表沉降曲線如圖5所示。

地表沉降近似“V形”或“凹陷形”，最大沉降發生在距坑邊6.9 m處，沉降量約為0.53H；最大沉降量近似32.3 mm，約δ′=0.75δ，以《基坑工程技術規范》[9]計算的最大沉降量約34.32 mm，誤差約為6%。

數值模擬的預應力錨索在基坑開挖完成后的應力曲線如圖6所示，從圖6中可以看出，各錨索應力隨其長度的增加而減小，除第四道錨索外，其余三道錨索應力的分布形狀呈現兩端小，中間大的棗核形。

3 結語

本文針對邯鄲市某深基坑工程開挖實例，運用ABAQUS有限元分析軟件，對樁—預應力錨索支護進行施工過程的數值模擬，并與監測數據對比分析，驗證了ABAQUS數值模擬的可行性。

1)樁—預應力錨索支護結構下，由于預應力錨索的作用，基坑的最大水平位移發生在基坑開挖面偏上，水平位移呈“鼓肚形”。

2)地表沉降呈“凹陷形”，最大沉降量發生在0.5倍左右的基坑開挖深度，沉降量約0.75倍的基坑最大變形量。

3)樁—預應力錨支護結構下，錨索的應力一般沿其長度逐步減小，底端應力可忽略不計。

[1] Nak Kyung Kim,Jong Sik Park,Sung Kyu Kim.Numerical simulation of ground anchors[J]. Computers and Geotechnics,2007(34):498-507.

[2] Serrano A,Olalla C. Ultimate bearing capacity at the tip of a pile in rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2002,39(7):833-846.

[3] 費 康,張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京: 中國水利水電出版社,2010:298-314.

[4] Lim Y, Briaud J L. Three Dimensional Non Linear Finite Element Analysis of Tieback Walls and of Soil Nailed Walls under Piled Bridge Abutment[D].Texas: Texas A&M University,1996.

[5] 黃 鵬.恒隆廣場深基坑支護工程數值模擬及實測分析[D].大連:大連理工大學,2014.

[6] 徐運明,吳雄志,王 偉.攪拌樁—土釘復合支護結構的數值模擬分析[J].煤炭工程,2011(5):40-42.

[7] 熊春寶,雷禮剛.軟土深基坑支護內力和變形的三維有限元分析[J].巖土力學,2006,54(10):181-195.

[8] 黃雪峰,馬 龍,陳帥強,等.預應力錨桿內力傳遞分布規律與時空效應[J].巖土工程學報,2014,36(8):1521-1525.

[9] GB/T J08—61—2010,基坑工程技術規范[S].