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《湖南工業大學學報》2016年第05期

摘要：以實際基坑支護工程為背景，利用ANSYS有限元分析軟件，建立一個符合實際工程的理想平面應變模型，通過殺死土體或激活支護單元來實現基坑開挖支護的連續施工過程。改變計算模型中的支護方式，分析了影響樁錨支護結構穩定性的因素。將各工況下基坑結構的變形計算結果與實際監測數據進行了對比，證明有限元計算模型的合理性，可為實際工程提供指導。

關鍵詞：深基坑；樁錨支護；有限元

0引言

隨著城市的現代化發展，土地資源越來越緊張，為了充分利用有限的城市空間，出現了大量地下工程。在緊密的建筑群中進行地下工程施工時，不可能有足夠空間進行放坡開挖。為保證施工安全和施工方便，對深基坑開挖時必須要采用有效的支護措施。在實際工程中，常采用由人工挖孔樁結合預應力錨桿及防水帷幕等組成的樁（墻）式支護體系進行邊坡支護。樁錨支護結構是由前期設置在基坑外圍的支護樁和土層開挖后設置的預應力錨桿共同組成，借助支護樁在開挖面以下的插入深度和設置在開挖面以上的錨桿系統來平衡墻后的水、土壓力以維持邊坡的穩定。土層的逐層開挖和錨桿的設置過程中，支護結構和土體發生復雜的力學過程，不斷地調整支護結構的變形和受力。本文以實際工程為背景，對工程進行合理簡化，建立平面彈塑性模型，借助ANSYS軟件對模型進行非線性計算，并與實際監測數據對比。根據各工況下結構的變形和受力情況，分析樁錨支護結構的穩定性。

1工程概況

本工程項目為某醫院門診大樓，結構主體為地上16層，地下一層。建筑所處場地為山坡，在進行基坑開挖時，開挖深度隨現場地形而改變，最大深度在建筑的西南角。門診大樓的南側為老住院部，東側臨院內公路，西側為生活區，北側距基坑較遠處為城市主干交通道路。考慮基坑開挖對支護結構的空間效應，利用平面模型以獲得更好的效果，本文選擇基坑南側端部進行有限元分析。支護樁采用Φ1000灌注樁，樁間距為2000mm，樁長為14m，樁頂設500mm×1000mm冠梁，分別在距地面3.5,6.0和8.5m處設3道錨桿，錨桿長度21m，水平傾角10°。

2計算模型

2.1本構關系

本文建立平面應變模型，忽略邊坡側向的變形。土體的材料性能非常復雜，建立模型時需對土體進行合理簡化[3]。根據現場地質勘查報告結果，將計算范圍內的土體分為4層，各土層按各向同性、均質的理想彈塑性材料考慮。模型采用Drucker-Prager（DP準則）屈服準則，該準則是在Mises準則基礎上考慮靜水壓力。在實際工程中，支護樁和錨桿的設計值都是偏安全的，所以實際達到的應力值遠小于其屈服應力值，通常認為基坑開挖過程中支護樁和錨桿一直處于彈性狀態。建立模型時，支護樁和錨桿按均質、各向同性線彈性材料處理，并對支護結構和土體間接觸關系采用共節點進行處理，假定支護結構與土體無相對滑移。

2.2有限元單元類型的確定

本模型中用到了3個基本單元。土體采用支持DP準則的8節點平面單元PLANE82，它是4節點PLANE42的高階單元，其處理不規則形狀的網格精度更高；樁采用BEAM3單元，該單元可以有效地模擬土壓力作用下樁身的軸向拉壓和彎矩情況；錨索的模擬采用LINK1單元，其只考慮單軸的拉壓作用。考慮到基坑的開挖及支護情況比較復雜，模擬分析時收斂比較困難，因此不考慮樁土界面的接觸單元，采用共節點處理。

2.3數值計算參數

根據場地地質勘察報告，本模型中基坑土體自上而下分別為素填土層、粉質黏土層、黏性土砂礫層和石灰巖層4層。工程地質情況及主要物理力學性能指標數值見表1，其中彈性模量E按經驗公式取土體壓縮模量Es的2~5倍。第一層為素填土，實際工程中采用土釘墻支護方式控制土體滑移，建立有限元模型時將土體黏聚力放大10倍以達到減少土體滑移的效果。支護樁混凝土強度為C30，有限元模型中取樁體彈性模量為3.00×1010N/m2，泊松比為0.2。錨索采用2S15.2鋼絞線，由于錨桿的預應力是依據錨索的彈性變形特性施加的，所以模型中桿截面積按錨索截面積考慮。錨索彈性模量為1.95×1011N/m2，泊松比為0.3，線膨脹系數=1.2×10-5℃-1，采用等效降溫法對錨桿施加100kN的預應力。本文建立的是平面模型，即選取垂直計算平面方向單位厚度的邊坡進行分析，所以有限元模型中錨桿的剛度按實際剛度除以其縱向間距考慮。實際錨桿軸力應為計算得出的軸力乘以錨桿間距。

2.4初始應力場問題

土體本身存在自重，在未開挖時坡體就存在著初始應力場，影響著后期土體開挖時應力場的分布，所以不能忽略。在用ANSYS進行有限元分析時，首先要確定土體的初始應力狀態，再進行土體的加荷或者卸荷。目前還沒有準確的方式確定土體的初始應力場，實際工程中常利用土體的重力場近似代替土體在初始應力狀態，即在有限元計算時考慮重力加速度g。后期考慮位移時要扣除初始應力場作用下初始位移。

2.5非線性有限元計算方法的確定

本模型求解的是非線性問題，需要考慮土體材料非線性、支護結構幾何非線性、樁土間狀態變化非線性。在基坑支護過程中，由于支護結構的變形都被設計控制在彈性變形階段，通常忽略幾何非線性。狀態變化非線性主要是由于土體脫離支護結構而引起兩者之間作用力消失，或者由于兩者相對滑移可能造成土體的屈服。課題組在求解非線性方程時采用Newton-Raphson方法，用一系列帶校正的線性近似求解非線性問題，在一定容限范圍內，它迫使在每一個載荷增量的末端達到平衡收斂，并且每進行一次平衡迭代都要修改剛度矩陣，其計算量較大，但該方法精度較高[7]。

3工程實例分析

3.1建立模型

有限元計算模型的7個工況依次進行基坑支護開挖模擬，通過殺死土體或激活支護單元來實現基坑的開挖和支護的連續計算。已有研究成果表明，基坑開挖對基坑開挖深度1~2倍范圍內的土體影響顯著，因此有限元模型的范圍為左邊界選取基坑寬度方向的一半，距離基坑壁15m，右邊界至基坑壁后30m，下邊界取基坑底以下20m。忽略模型外土體水平方向的變形和模型以下土體的沉降，對左右邊界施加水平約束并限制模型底部所有自由度，素填土表面考慮10kN/m2的施工荷載。模型網格尺寸設為0.5m，采用自由劃分的方式劃分網格。

3.2基坑開挖穩定性分析

對基坑不采取任何措施進行開挖，將4層土開挖完成后，在基坑底部位置變形量達到226.3mm，如圖3所示。此時土體坍塌，基坑已經破壞了，不能進行施工，需要進行基坑支護。本工程采用支護樁，并設置了3道錨桿約束樁的側向變形。

3.3支護樁身水平位移分析

基坑開挖的過程是一個卸載的過程。基坑開挖前，支護樁兩側作用荷載平衡；基坑內土體的開挖清理使得坑內土體對基坑壁和支護樁的側向壓力逐漸減小，導致支護樁同時承受的主動土壓力逐漸增大，支護樁頂位移逐漸增大。為了突顯錨桿的作用，在只考慮支護樁未激活錨桿單元時，對基坑進行開挖，得出了支護樁樁身水平位移。樁身各處位移隨著開挖深度逐漸增大，并且同一開挖深度時支護樁樁身位移由樁頂到樁底遞減。按照實際施工過程，對支護樁和錨桿單元進行激活，模擬出土體開挖和錨桿的設置對樁樁身水平位移的影響，在第一層土開挖完成后，未設置錨桿時，支護樁就相當于一根懸臂構件，樁后土體的作用使樁的變形呈現頂部水平位移最大向下逐漸變小的曲線，即工況一對應的曲線。對比圖中工況二與工況一曲線發現，設置第一道錨桿后，樁頂水平位移明顯減少，且樁身最大位移不在樁頂，而在開挖面與樁頂之間。這是由于錨桿的設置相當于在樁身施加一個集中力，有效的限制了樁身的變形。進行第二層土體開挖，樁頂位移增大，施加第二道錨桿后，樁頂位移比二層土體開挖結束時減小且最大位移對應位置比工況二下移，這是2道錨桿共同作用的效果。后面的工況也都呈現挖土時樁身變形比前一工況增大，加錨桿時又比前一工況減小的規律，但最大位移都不在樁頂并且位置向下移動，樁身變形呈拋物線形。樁底位移在1mm左右，體現出了樁的嵌固效果，符合樁設計要求和實際工程中樁的變形情況。

3.4支護樁頂水平位移分析

各工況下基坑南側樁頂水平位移監測值與有限元計算結果如圖6所示。從圖6中可以很容易地發現，兩者數據趨勢一致，水平位移都在開挖時增大，設置錨桿時減小，但計算值略大于檢測值，這與一些文獻的結論是一致的。這是由于實際工程是空間體系，支護樁之間通過連接構件相聯系，具有更好的整體性，對土體的約束作用比單位寬度的支護結構強，所以就出現了計算值大于檢測值的現象。從圖中可以看出工況二時檢測值和計算值都出現負值，錨桿的設置使支護樁向土體方向移動，并且計算值小于檢測值，說明數值模擬中，錨桿對單位寬度支護結構的約束比實際工程錨桿對樁位移約束更接近理想狀態。

3.5錨桿內力分析

錨桿的設置，有效地限制了支護樁的變形，確保了基坑壁的穩定。設置錨桿時，對錨桿施加了預拉力使桿體發生彈性變形。在錨具安裝完成后，桿體收縮對支護樁后土體起到壓縮的效果，可以抵消因為基坑內土體開挖導致樁后土體的變形。模擬實際施工過程，得出第一道錨桿在各工況下軸力的的變化曲線。錨桿軸力在錨固段較小，靠近錨頭處較大。隨著開挖深度的增加，錨桿的軸力增加。計算結果顯示，每增加一道錨桿都會分擔前幾道錨桿的受力，很明顯這是錨桿共同作用的結果。

4結論與建議

1）本文運用ANSYS建立平面應變模型，通過對邊坡采取不同的措施，分析基坑的變形情況，論證了采用樁錨支護的必要性和有效性；

2）通過控制生死單元模擬基坑開挖，得出了各工況下樁身變形和錨桿軸力變化情況，與已有研究結論相符。對比樁頂水平位移計算值和實際監測數據，驗證了模型的合理性，對實際工程分析邊坡的穩定性具有指導作用；

3）利用ANSYS進行土體的數值模擬時，對土層參數的設置是根據現場勘察數據并結合一些經驗公式確定的，勢必會影響模擬的精度。建議針對各參數對結果的影響進行更多的數值模擬與試驗，進一步優化數值模型來提高模擬結果的精確性。

參考文獻：

[1]胡激揚.宏圖香榭里基坑支護設計與監測研究[D].南京：河海大學，2007.

[2]楊曉華，陳藤，劉龍海，等.某深基坑樁錨支護結構監測結果分析[J].湖南工業大學學報，2013，27(5)：1-6.

[3]王寧，劉杰，王威，等.土工格室+階梯型變截面及等截面樁復合地基承載性狀對比研究[J].湖南工業大學學報，2015，29(5)：15-18.

4]陳勇華.土體壓縮模量、變形模量和彈性模量的討論[J].城市建設，2010(16)：135-136

作者：魯楠，楊曉華，曾螢螢 單位：湖南工業大學