施工过程的深基坑支护系统受力分析

施工过程的深基坑支护系统受力分析

刘　彤　刘新东　刘　伟

(西安建筑科技大学理学院　陕西西安　710055)

摘　要　针对一深基坑实体工程的特点,采用弹塑性有限元方法分析了不同施工过程中围护结构

和支撑的结构内力,并与监测结果对比,为基坑工程的设计施工提供了依据。

关键词　深基坑　开挖　支护系统　数值分析　　基坑工程问题的特点之一就是不断地开挖和加支

撑及锚杆,而使起始所界定的模型在几何上不断变化,利用有限元理论的数值方法对其进行分析,是一个强有力的手段。本文针对某工商银行大厦深基坑工程,利用非线性有限元方法分析施工期间支护系统结构受力的动态变化,结合现场监测成果,为工程施工

[1],[2]

提供了科学依据。

1　工程概况

为确保施工安全,深基坑工程进行了以下项目的

[3]～[5]

监测:墙体内钢筋应力监测、墙后土压力监测、墙体水平位移监测、墙顶位移监测、锚杆应力监测、钢支撑内力监测,其平面测点布置如图2所示。历时18个月监测到大量信息。

该大厦两面与高层建筑相邻,一面与河相邻,基坑长6218m,宽3111m,开挖深度2018m,建筑用

22

地1576m,建筑面积23280m。基坑采用地下连续墙结合预应力锚索和钢梁内支撑组成支护体系,连续墙厚100cm,钢筋笼厚80cm,主筋采用<32mm螺纹钢筋,双向配筋,地下墙紧靠河一侧为承重墙,其余为非承重墙。根据不同的地质情况墙深有2410m、3110m、3310m。基坑内支护设计有2道预应力锚索及3道钢质内支撑,基坑地质剖面和断面支护设计,见图1。

2　有限元计算模型211　基本假定

刘　彤,女,讲师,硕士。

采用平面应变条件和基坑开挖的对称性,只取半平面分析;土体初始压力只考虑自重应力场,按静止土压力场计算;土体单元采用四节点等参单元,锚

[6]

杆、钢支撑采用一维杆单元。212　计算模型

计算采用日本软脑公司研制的地下工程专业软件2D-Sigma。计算剖面见图1所示,土体及支护系统的物理力学参数取自勘察资料、室内试验资料,土层计算参数见表1。地下连续墙按弹性材料考虑,其厚

7

度为1m,弹性模量经折减后取3×10kPa,泊松比

8

为012。钢支撑、锚杆弹性模量取211×10kPa,泊松比为013。土体与连续墙之间用接触面模拟,摩擦系数取0135。实际施工过程中基坑开挖与支护分为三个阶段,分别为地面开挖至-718m(第一阶段),

在含水量和密度相同条件下,在同样荷载

压力下,压实黄土的湿陷性高于原状黄土的湿陷性;湿陷系数与黄土的潮湿状况有关,土样含水量愈低,其湿陷系数愈大,随着含水量的增加,湿陷系数逐渐减小。

(3)陕北马兰黄土作为填料压实以后,仍有一定的湿陷性。随着压实黄土压实度的增加,湿陷性逐渐减小;在低荷载条件下,压实度的增加对湿陷性的大小影响微弱。随着荷载的增加,湿陷性逐渐增大,压实度愈小,增大的幅度愈大,但当增大到一定程度,湿陷系数呈逐渐减少趋势。

　　(2)

参考文献:

[1]中华人民共和国建设部颁布.岩土工程勘察规范(GB5002194)

[S].[S].

北京:中国建筑工业出版社,1995.

[2]中华人民共和国交通部颁布.公路土工试验规程(JTJ051-93)

北京:人民交通出版社,1993.

[3]中华人民共和国铁道部颁布.铁路工程土工试验方法(TBJ102-93)

[S].北京:中国铁道出版社,1995.

[4]张留俊等.公路地基处理设计施工实用技术[M].北京:人民交通出

版社,2002.

[5]冯连昌,郑晏武.中国湿陷性黄土[M].北京:中国铁道出版

社,1982.

收稿日期:2006-09-07

・88・全国中文核心期刊　　　　　　　路基工程　　　　　　　　　　　　2007年第6期(总第135期)

312　墙体和钢支撑受力分析

-718～-1616m(第二阶段),-1616～-2018m

(第三阶段)。数值模拟共分6个步骤,第1步计算初始压力场,第2、3步计算第一阶段开挖与支护,第4、5步计算第二阶段开挖与支护,第6步计算第三阶段开挖与支护。有限元网格共有2123个单元和6957个节点,计算网格划分,见图3。

表1　计算参数表

土层杂填土中细砂层淤积层残积土层强风化粉质泥岩中风化粉质泥岩

重度

/(kN・m

201020101910211025102610

-3

弹性模

)量/kPa

10000500008000340006×1061×107

泊松

比

013501280140013501300120

粘聚力摩擦角

)/kPa/(°

0018306972330

203612204045

图5为开挖不同深度时墙体弯矩计算值及实测

值,表3为钢支撑轴力计算值。从图5中可以看出,计算值与实测值变化趋势一致,说明数值模拟能较好地反映工程实际性状。进一步分析可以看到:开挖至718m和1616m时,连续墙上端弯矩为正值;安装7米处支撑,在挖至1616m时,墙体的弯矩图在7m处有明显的角点,可见对弯矩的调节很有作用;在挖至2018m时,该角点已不明显,表明该调节不起作用了;从16m处支撑轴力增长情况看,适当加强该处的支撑是保证基坑稳定的关键。锚杆的存在会使墙体产生较大弯矩,但是在开挖初期,设置锚杆会使基坑内作业空间增大,施工方便,有利于缩短工期。

表3　开挖不同深度的钢支撑轴力计算值表支撑位置7m处16m处

718m深265301

1616m深298329

2018m深321368

kN

3　计算结果及分析311　位移场、应力场分析4　结语

计算值与实测值见表2。

表2　各阶段累计下沉及基坑最大外移表

项目计算实测

一阶段

481218

mm

二阶段

56185112

三阶段

62145613

基坑外移

68176115

　　计算结果比实测略大,分析认为是由于实际的基

坑存在三维约束作用且未计及地下水渗流的影响所致,但整体而言,两者非常接近。最后一个计算步的最大、最小主应力分布见图4,由计算可知,在基坑底部及支撑附近产生了较强的应力集中,基坑底部主应力最大值为13516kPa,土体受力较为合理,处于

[7],[8]

稳定状态。

深基坑是一个系统工程,基坑围护结构受力性状

与施工过程相关,开挖顺序不同,水平支撑各部位的受力也不同,变形与内力的发展趋势也随之变化。因此,对于深大基坑,在基坑工程设计阶段,利用有限元理论进行数值分析,采用应力释放模拟开挖过程,研究在不同施工过程中基坑的工程性状,结合测试结果进行反馈分析,进而指导基坑支护的设计是非常有意义的。参考文献:

[1]刘建航,候学渊.基坑工程手册[M].北京,中国建筑工业出版

社.1997.

[2]赵志缙,赵帆.深基坑工程技术的进步与展望[J].建筑技术,2003,

34(2):88-93.

[3]江霞,王小军.基坑位移监测技术[J].建筑技术,2004,35(5):

347-348.

[4]佘跃心,刘汉龙,高玉峰.基于有限元的SMW支护结构基坑开挖施工

模拟[J].四川建筑科学研究,2002,28(2):26-28.

[5]向长奎.深基坑支护结构选用II型桩的力学研究[J].四川建筑科学

研究,2002,28(3):43-45.

[6]冯永冰.基坑开挖与支护过程的平面有限元数值分析[J].建筑技术,

2004,35(5):376-377.[7]齐亮,郑刚.考虑基坑开挖顺序的支撑系统内力分析方法[J].建筑

技术,2004,35(5):365-368.

[8]孙凯,许振刚,刘庭金等.深基坑的施工监测及其数值模拟分析[J].

岩石力学与工程学报,2004,23(2):293-298.

收稿日期:2006-09-04