第 4 期崔宏环等 : 深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟 663 C10 N 无限元 CIN3D8 模拟无穷远的土体边界条件挡土桩上覆压顶冠梁若要模拟桩土冠梁与土接触, 势必会带来有限元收敛问题考虑到桩受土压力, 将产生侧向变形, 且为桩土协调变形, 本文运用 ABAQUS 中的

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淡成
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1 第 27 卷第 4 期岩土力学 Vol.27 No 年 4 月 Rock and Soil Mechanics Apr 文章编号 : (2006) 深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟崔宏环 1, 张立群 2, 赵国景 (1. 河北建筑工程学院, 河北张家口 ;2. 中国矿业大学 ( 北京校区 ), 北京 ) 3 摘要 : 为了深入研究深基坑开挖中双排桩支护结构的内力和变形以及与土的相互作用机理, 运用大型有限元软件 ABAQUS 模拟某高层建筑深基坑开挖全过程通过三维有限元的模拟分析, 对基坑变形和稳定的影响因素进行了讨论, 从而提出了一些控制支护结构变形, 保持基坑稳定的方法措施关键词 : 支护结构 ; 深基坑 ; 三维有限元 ; 影响因素中图分类号 :TU 432 文献标识码 :A Numerical simulation of deep foundation pit excavation with double-row piles CUI Hong-huan 1, ZHANG Li-qun 1, ZHAO Guo-jing 2 (1. Hebei Institute of Civil Engineering, Zhangjiakou , China; 2. China University of Mining& Technology, Beijing , China) Abstract: ABAQUS is adopted to simulate the mechanical behavior and deformation for retaining structure of foundation pit with excavating process. In order to reaveal the deformation and internal force of surport structure, spatial nonlinear finite element analysis is carried out in which the excavation process is considered. Ciritical parameters are discussed in detail. The analytical results show that the investigation of simulation of excavation process is necessary in such complex problem. Key words: retaining structure; deep foundation pit; three-dementional finite element; influential factor 1 引言双排桩是一种新型的围护结构, 它是由两排平行的钢筋混凝土桩以及桩顶的冠梁形成的空间门架式结构体系这种结构具有较大的侧向刚度, 可以有效地限制围护结构地侧向变形, 因而其围护深度比一般悬臂式围护结构深从结构上分析, 双排支护桩如同嵌入土中的门式框架, 与单排悬臂结构内撑式围护结构相比, 其具有施工方便不用设置内支撑挡土结构受力条件好等优点, 因此在工程中得到了广泛的应用 [1] 将单排桩每间隔一根桩推后排成梅花桩, 或每间隔一根桩抽出一根桩将其排列在后排这样形式的排桩, 其桩距增大一倍, 桩数相同在桩顶建一冠梁, 梁宽一般为排距尺寸, 前后排桩与桩顶冠梁组成刚度很大的结构由于基坑和围护结构的相互作用是一个不断随时间变化的时变系统, 考虑施工过程对工程影响是完全必要的因此, 本文运用大型通用有限元程序 ABAQUS 建立三维模型, 以某一实际工程为背景, 模拟基坑开挖的全部过程, 从而分析双排桩围护结构的工作机理 2 工程概况和计算模型 2.1 工程概况某高层建筑基坑地面以上 19 层, 地下 2 层, 框架剪力墙结构, 该工程基坑围护设计重点考虑了两个问题 : 支护结构选择和地下水处理本工程基坑开挖深度为 8.6 m, 局部深 10 m, 暴露土质基本为软塑土, 当选用悬臂单排桩支护时, 其稳定性和安全性难以保证而选用桩锚支护结构时, 锚杆施工对邻近建筑有一定的影响, 因土质较软, 其施工也存在一定难度经多种方案对比后, 最终选用悬臂双排桩支护结构, 充分利用双排桩占地空间小及其三维空间结构刚度大的优势采用深层搅拌桩作为隔水帷幕, 坑内利用管井降水, 避免大面积降水后对周围建筑产生的影响所以地下水的影响不在此次模拟的考虑范围, 参见图 1 收稿日期 : 修改稿收到日期 : 作者简介 : 崔宏环, 女,1974 年生, 硕士, 讲师, 从事岩土工程教学和研究工作 cuihonghuan729@163.com

第 4 期崔宏环等 : 深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟 663 C10 N 无限元 CIN3D8 模拟无穷远的土体边界条件挡土桩上覆压顶冠梁若要模拟桩土冠梁与土接触, 势必会带来有限元收敛问题考虑到桩受土压力, 将产生侧向变形, 且为桩土协调变形, 本文运用 ABAQUS 中的嵌入功能模块将群桩嵌入土中, 进行开挖模拟, 作初步计算

2 计算参数的选择支护结构的计算参数及土层物理力学指标参见表 1 和表 2 表 1 支护结构计算参数 Table 1 Calculation parameters of retaining structure 支护结构参数挡土桩冠梁直径 /m 桩长 /m 梁高 /m 梁宽 /m 尺寸 0.6 17 0.5 2 泊松比 v 0.3 0.35 弹性模量 E /MPa 2.

2 第 4 期崔宏环等 : 深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟 663 C10 N 无限元 CIN3D8 模拟无穷远的土体边界条件挡土桩上覆压顶冠梁若要模拟桩土冠梁与土接触, 势必会带来有限元收敛问题考虑到桩受土压力, 将产生侧向变形, 且为桩土协调变形, 本文运用 ABAQUS 中的嵌入功能模块将群桩嵌入土中, 进行开挖模拟, 作初步计算这样计算可以把支护结构的整体工作形态模拟出来, 建成的有限元模型如图 2 所示图 1 基坑平面布置图 ( 双排桩支护 ) Fig.1 Plane layout of piles 2.2 计算参数的选择支护结构的计算参数及土层物理力学指标参见表 1 和表 2 表 1 支护结构计算参数 Table 1 Calculation parameters of retaining structure 支护结构参数挡土桩冠梁直径 /m 桩长 /m 梁高 /m 梁宽 /m 尺寸泊松比 v 弹性模量 E /MPa 注 : 挡土桩桩间距为 2 m, 排距 1.2 m 图 2 未开挖时的土体模型 ( 初始地应力平衡 ) Fig.2 Soil mass model before excavating 表 2 各土层物理力学参数指标 Table 2 Physico-mechanical parameters of soils 名称土层厚度 c E /m /kn m -3 /kpa /( ) /MPa v 杂填土粉质黏土砂质粉土黏土黏性土有限元模型的建立基坑开挖一般属临时性工程, 工期较短, 且土体在自重的状态下已基本固结完成另外, 基坑外围筑成深层搅拌桩以隔阻第一层孔隙潜水, 因此按固结不排水分析而不考虑地下水的存在因基坑对称, 故取 1/2 基坑进行有限元计算采用大型通用有限元软件 ABAQUS 模拟基坑的开挖及桩土变形, 该软件具有卓越的处理非线性问题的能力采用 8 节点的六面体单元模拟土及支护体系一方面采用非常接近真实的全三维模型来模拟挡土结构 ; 另一方面运用 ABAQUS 提供的 MODELCHANGE 功能模块, 模拟挖土全过程本文采用 Mohr-Coulomb 本构关系基坑深 8.6 m, 局部深 10 m, 呈对称八边形前后排挡土桩共 92 根, 梅花形布置桩体和土体均采用 C3D8R 即三维实体 8 节点减缩单元模拟用图 3 双排支护桩 (mise 应力云图 ) Fig.3 Stress nephogram of piles 土模型采用 Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型, 以考虑应力历史基坑的中间对称面采用对称约束的边界条件, 坑底固支桩周围的网格较密, 远处渐疏基坑开挖的具体实现步骤为 1 建立整个场地土体及支护结构模型 ; 2 初始地应力的平衡, 建立初始应力场, 同时支护结构的刚度消失, 即支护结构单元失去活性故土体自重沉降过程中支护结构对土体自重沉降无影响 ; 3 激活支护结构单元 ; 4 加地面以上超载 ; 5 分步挖土, 土体开挖是通过逐层使土单元失去活性达成的

3 664 岩土力学 2006 年 3 计算结果分析 3.1 计算规模本文计算规模见表 3 实测数据和数值计算结果分别见表 4 和表 5 从数值计算的结果来看, 挡土桩在南北两个方向中部变形最大, 桩体的最大位移发生在基坑中部 C10 桩 ( 位于前排 ), 这与实测结果吻合的很好, 而且从钢筋受力数值看, 冠梁的作用是十分明显的, 这一点勿庸置疑结果表明数值模拟精度较高作用, 水平位移较小, 且位移增长较慢 ; 在 L/4~ L/2 处, 约束作用减弱, 位移急剧增长 ; 当位移增加到一定值后趋于稳定 (L 为相应基坑边长 ) 表 3 本文的计算规模 Table 3 Calculation scale 计算量土体支护结构整个模型单元数 / 个节点数 / 个未知变量数 / 个桩顶位移 /mm 表 4 实测数据 Table 4 Measured data 基坑开挖使用期间最大值冠梁钢筋所受最大拉力 /kn 初挖至坑底时日发展量 /mm d 迭代增量步图 4 逐步开挖条件下桩后土压力 Fig.4 Earth pressures of pile during excavation 表 5 数值计算数据 Table 5 Data of numerical calculation 基坑开挖使用期间最大值初挖至计算完毕 /mm d -1 桩顶位移 /mm 冠梁钢筋所受最大拉力 /kn 计算结果分析图 4 和图 5 为最不利桩体 C10 桩沿深度的位移曲线和土压力分布图从图 4 图 5 可以看出, 随着基坑开挖的进行桩身位移不断增大, 桩体向着坑内倾斜最大位移发生在桩顶 ; 桩后土压力随时间 ( 增量步 ) 逐渐减小, 这说明随着土体卸载, 桩身前移, 静止土压力逐渐减小且向主动土压力靠近, 直到桩体变形稳定 ; 由有限元模拟结果可以看出, 在基坑开挖的过程中, 随着土体的开挖卸载挡土桩有向上位移的现象主要是因为土体开挖后土体回弹及隆起造成的另外, 冠梁在支护中的作用不可轻视, 经实测可知冠梁钢筋的最大拉力达 71.3 kn, 说明冠梁在支护体系中的作用是巨大的从模型米塞斯应力图上 ( 图 3) 可以看出, 支护结构拐角处受力最为复杂, 米塞斯应力最大, 但此处的水平位移是最小, 随后逐步增大, 到基坑中部时达到最大, 但位移的变化率有明显的差异在基坑边脚附近约 L/4 处, 由于另一侧围护结构的约束图 5 逐步开挖条件下桩体位移 Fig.5 Displacements of pile during excavation 4 选取不同计算参数进行数值分析为了精确分析桩冠梁及土体在基坑开挖过程中显示出来的力学特性, 笔者在上个模型的基础上, 找出整个支护结构最危险的部分, 即南北向基坑中间部分, 建立了一个只有 5 根桩的子模型前面 2 根, 后面 3 根, 上覆冠梁连接如图 6 所示 ABAQUS 中的接触算法以增量迭代为基础, 应用单纯的主控 - 从属 (master-slave) 接触面模拟接触 [2] 桩与土之间建立的是小滑移接触 (small-sliding) 桩土之间容许滑移, 摩擦系数取为 0.75 挡土桩和土体采用的单元为 C3D8R, 冠梁采用壳 (SHELL) 单元, 认为梁与前后排桩之间刚性连接, 支护结构计算参数如前所述该基坑结构复杂, 施工周期短, 结构参数的影响十分重要笔者利用子模型对双排桩进行了以下几种情况的有限元计算迭代增量步

第 4 期崔宏环等 : 深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟 665 大, 这是由于冠梁提高了整个支护结构的整体性, 使前后排桩变形更加一致双排桩的侧向变形较无冠梁时大大减小, 当排距过大, 桩土之间的协同作用减弱, 而且后排桩相对于前排桩类似于拉锚桩的性质, 无法使双排桩及其桩间土发挥共同作用 [3] 2 3 1 图 6 挡土结构物 ( 子模型 ) Fig.

4 第 4 期崔宏环等 : 深基坑开挖中双排桩支护的的三维有限元模拟 665 大, 这是由于冠梁提高了整个支护结构的整体性, 使前后排桩变形更加一致双排桩的侧向变形较无冠梁时大大减小, 当排距过大, 桩土之间的协同作用减弱, 而且后排桩相对于前排桩类似于拉锚桩的性质, 无法使双排桩及其桩间土发挥共同作用 [3] 图 6 挡土结构物 ( 子模型 ) Fig.6 Retaining structure (submodel) 4.1 前后排桩变形受力对比双排桩围护结构的最大位移发生在桩顶部位在同一深度, 前排桩的位移要大于后排桩的位移从子模型上取相邻前后 2 根桩作沿桩身的位移曲线如图 7 所示可以看出, 前排桩在桩顶下 1/4 桩长深度内的位移基本上接近桩顶最大位移, 往下才逐渐减小, 后排桩的侧向变形从桩顶开始就逐渐往下减小图 8 前后排桩身米赛斯应力云图 ( 上部的桩为前排桩 ) Fig.8 Stress nephogram of retaining structure 图 9 不同排距下桩体位移 Fig.9 Piles displacements for different row distances 图 7 前后排桩体位移曲线 Fig.7 Displacements of front row and behind row piles 前后排桩存在共同作用, 双排桩围护结构前后排桩均受到交变应力前排桩的最大米赛斯应力在基坑开挖面附近, 后排桩最大米赛斯应力在桩顶附近, 如图 8 所示 4.2 排距对挡土桩受力的影响设实际工程采用排距为 S, 分别按单排 1S 和 1.75 S 三种情况进行模拟图 9 为桩体沿深度的位移模拟结果, 模拟计算结果见表 6 由表 6 可知, 单排桩的桩顶位移最大, 双排桩桩体位移减小当排距增大到 1.75 S 时, 桩顶位移反而较 1S 时增表 6 不同排距下桩体顶最大位移 Table 6 Maximum displacements of different row distances 排距单排 1S 1.75S 桩顶最大位移 /mm 4.3 桩体刚度对受力的影响桩体抗弯刚度主要取决于桩径为此将桩体直径分别取为 0.4,0.6,0.8 m 和 1 m 分别进行计算, 保持其他参数不变以原基坑为例进行分析, 其结果见图 10 可以看出, 当桩体直径从 0.4 m 增加到 0.8 m 时挡土桩的水平位移明显减小, 当桩径增加到 1.0m 时水平位移减小的幅度降低, 因此适当的增加桩体直径, 可以减小支护结构的水平位移, 但是桩径增加到一定值后, 通过增加桩径来减小位移的作用不大, 故在桩体强度符合要求的情况下, 结果主要借助增加桩径来减小位移的做法是不科学的 [4]

5 666 岩土力学 2006 年图 10 不同桩径下桩身的位移 Fig.10 Piles displacements for different pile diameters 4.4 冠梁刚度的影响双排桩是由单排桩演化而来, 双排桩顶部用冠梁将前后排桩连接起来, 增大了结构的整体刚度和抗弯性, 从而减少了结构的变形 [5] 为形成刚架作用, 排距至关重要, 冠梁对结构的影响也很重要实测数据表明, 冠梁中钢筋计测得钢筋所受最大拉力达到了 71.1 kn, 说明冠梁在支护体系中的作用是巨大的, 冠梁的刚度是影响冠梁受力的重要因素设工程实用冠梁弹性模量为 E, 分别取 0.5E, 1E 和 1.5E 进行模拟, 计算结果见表 7 可以看出, 冠梁刚度增加, 桩顶最大位移减小, 结构偏于安全表 7 不同冠梁刚度对应的桩顶最大位移 Table 7 Maximum displacements of different Young s moduli of beams 冠梁弹性模量 0.5E 1E 1.5E 桩顶最大位移 /mm 结论 (1) 底部稳定和稍有隆起的前提下只要有效地控制支护结构的侧向位移, 地表的沉降一般是可以控制的 (2) 增加支护结构的刚度 ( 如增加混凝土标号, 增大桩径, 减少桩距 ) 对减少侧向位移是有效的, 但过分提高效果不明显 (3) 排距对桩的受力影响很大, 单排桩时桩顶位移很大, 超过警戒值 (40 mm) 双排桩时, 虽然双排桩间距比单排桩增加一倍, 但由于冠梁使整体性增加, 使支护结构位移明显减少如前所述, 桩身位移减少, 桩顶位移达 mm 是安全的排距从 1S 变为 1.75 S 时桩顶位移增加到 mm, 可见排距要在一个适当的范围内才能使前后排桩的作用充分发挥 (4) 冠梁使前后排桩变形更加一致, 双排桩侧向变形较无冠梁时大大减小适当增大冠梁刚度, 如增大截面尺寸和配筋量, 对减小桩体位移有很好的效果通过对某高层建筑深基坑围护结构数值模拟的结果可以发现, 对于复杂的地下结构, 土与结构的共同作用施工过程影响结构及土体的空间受力特性和土体的非线性行为等都对结构的变形和受力有着显著影响, 而部分结构参数的不确定, 使得结构最终变形和受力情况都变得更加复杂因此, 进行模拟施工过程的土与结构共同作用的非线形空间有限元分析, 并对关键参数加以讨论和分析是十分必要的本文为工程实际提供了控制支护结构变形, 保持基坑稳定的合理建议参考文献 [1] 龚晓南, 高有潮. 深基坑工程设计施工手册 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社, [2] ABAQUS 公司. ABAQUS STANDARD 使用说明手册 [Z]. USA: ABQUS 公司, [3] 秦四清, 万林海, 汤天鹏. 深基坑工程优化设计 [M]. 北京 : 地震出版社, [4] 王晓晖, 软土深基坑支护结构内力余变形的影响因素分析 [ 硕士学位论文 D]. 南京 : 河海大学, [5] 余志成, 施文华. 深基坑支护设计与施工 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,

m K K K K m Fig. 2 The plan layout of K K segment p

m K K K K m Fig. 2 The plan layout of K K segment p 410151 K7 + 914 - K7 + 984 12 5. 3 Midas DOI 10. 7617 /j. issn. 1000-8993. 2013. 09. 020 THE ANALYSIS OF THE DESIGN AND CONSTRUCTION SECURITY OF DEEP FOUNDATION IN PURUI TUNNEL OPEN-CUT SEGMENT Yang Ping