双环对称支撑体系下深基坑开挖的数值模拟分析.pdf

福建材岩土工程2023年双环对称支撑体系下深基坑开挖的数值模拟分析黄培清（福建省工大工程设计有限公司，福建福州3 50 0 1 1）摘要为研究双环对称支撑体系下深基坑开挖过程中的土体位移规律的结构应力变化，以厦门市公共租赁房园博公寓基坑支护工程为研究对象，基于地层-结构法，采用MidasGTS-NX有限元软件建立了分析模型，研究了基坑开挖过程中土体的位移及沉降数值、围护钻孔灌注桩及对称双环支撑结构的力学性能。结果表明，双环对称支撑体系下的深基坑开挖，基坑的最大水平位移平面上位于基坑长边环向支撑中间位置，竖向上位于开挖深度的1/2 处，周边土体产生沉降，坑底土体形成隆起；环撑最大拉伸值出现在两环撑之间的角部部位；环撑截面受剪最大在两环撑之间的直撑连接的部位；弯矩较大值在两环撑之间的直撑连接的部位；在不同工况下2 个环撑的结构内力近似对称，受力较均衡，该环撑体系合理，可在深基坑支护中推广，但施工时应注重加强监测环撑间角部部位的拉力。关键词深基坑开挖；双环支撑；围护桩；变形分析；内力分析0引言随着我国经济的快速发展，城市化进程日益加快。为了满足城市发展的需要，地下空间得到了迅速开发，出现大量的深基坑工程,也因此产生了一系列深基坑支护与开挖的设计及施工问题!。基坑支护体系既要满足基坑整体的稳定性，也要保证变形在可控范围内。在平面空间有限的条件下，目前已有的深基坑支护体系有钻孔灌注桩+钢支撑体系、钻孔灌注桩+锚杆体系、钻孔灌注桩+锚索体系、地下连续墙+内支撑体系、SMW工法桩+内支撑体系及上述支护形式的组合体系 2-3 。近年来,城市中基坑施工场地愈加狭小,在合理范围内工程造价不断降低，施工简便性和支护结构受力合理性等要求不断提高,环向支撑体系得到了发展。但环向支撑在工程中的受力特性及应用仍处于探索的阶段。由于其形成的是超静定结构,空间效应明显，仍有必要进一步研究基坑开挖过程中土体的位移及沉降、双环支撑结构内力的变化规律 4-5。依托厦门市公共租赁房园博公寓基坑支护工程，基于地层-结构法,采用Midas GTS-NX数值软件进行工程模拟，分析在对称双环支撑体系下深基坑开挖时地表的沉降、围护结构位移及支撑结构的内力，为围护结构设计和现场施工提作者简介：黄培清（1 990 一）,男，本科，学士，工程师，从事岩土工程设计工作。54供依据。1工程概况厦门市公共租赁房园博公寓基坑支护工程位于集美区集美大道道路东北侧，杏林湾路东南侧，红线距现状道路路肩约2 0 m。基坑西北侧及西南侧紧邻规划道路，现地面标高为2.0 1 4.8 9m。场地下无水、气、电管道及光缆等重要管线通过。场地周边绿化带中存在地埋管线，未发现有明显的污染源，无其他不良地质灾害作用。场地地下水埋藏较浅，地下水初见水位埋深为0.7 0 4.8 0 m。该基坑工程设有2 层地下室，底板面标高-8.7 0 m，厚度6 0 0 mm。其中，主楼部位采用筏板加桩基，板厚1.6 1.8 m;基坑坑底标高-1 0.6 m,基坑总周长约为7 0 0 m，基坑面积约为2 7 8 0 0 m。考虑到基坑四周均为现状道路及规划道路，对基坑支护的变形和周边土体沉降要求较高，同时考虑到工程造价和施工简便性，支护体系采用钻孔灌注桩排桩加1 道内支撑的支护型式，内支撑为钢筋混凝土对撑（斜撑、角撑）+双环对称支撑，基坑截水采用1 道三轴搅拌桩截水惟幕。排桩顶部放坡坡高为2.5m，坡率采用1：1.0，工程平面布置图见图1。钻孔灌注桩排桩桩长1 6.6 m，直径1 0 0 0 mm，间距1 4 0 0 mm，材料为C35混凝土。内支撑标高-2.8 0 m，厚度6 0 0 mm。基坑挖深从排桩顶计算，挖深为1 0.6 m。环向支撑直径1 0 0 m，两对称环撑中心间距1 2 0 m。福建材岩土工程根据该项目地质勘察报告，各个土层的物理力第7 期（总第2 6 7 期）图1 工程平面布置图2双环对称支撑体系下深基坑开挖的数值模型2.1本构模型选择岩土名称厚度/m重度/有效黏聚力泊松比弹性模量/有效内摩擦角参考割线参考加卸载参考加卸载(kN/m)MPac/kPa杂填土3.7淤泥夹砂7.6中砂8.3残积黏性土15.6全风化花岗岩24.8为了分析双环对称支撑体系下各部位结构应力及周边土体变形规律，为现场的施工提供参考依据，基于地层-结构法，采用Midas GTS-NX有限元软件建立模型并进行分析。MidasGTS-NX有限元软件是韩国开发的一款针对岩土领域的通用有限元分析软件，支持静力分析、动力分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型,适用于各种实际工程的准确建模与分析。分析采用Mohr-Coulomb本构模型模拟土体。Mohr-Coulomb本构模型是岩土工程中最通用的弹塑性本构模型，基于材料破坏时应力状态的莫尔圆提出的，破坏线是与这些莫尔圆相切的直线，主要适用于在剪应力下屈服的岩土材料本构模型，至今仍被广泛地用来描述岩土材料的性状。Mohr-Coulomb本构模型应用起来简单、实用，能够准确反映岩土类的抗压和抗拉强度的非对称性,并且该模型需要的参数有效黏聚力c、有效内摩擦角可以通过常规试验获取。Mohr-Coulomb屈服准则假定：材料在某一平面上的剪应力达到其抗剪强度时，材料屈服、剪切强度与作用在该面的正应力有关，屈服曲线可以近似用线性表征。内支撑采用梁单元模拟，本构关系为弹性模型。钻孔灌注桩排桩使用板单元模拟，本构关系为弹性模规划道路杏林湾路18.017.420.018.620.5学性能参数见表1。由表1 可知,中砂由于不含黏性土粒，有效黏聚力数值最小,基本无黏聚力；杂填土和淤泥夹砂层黏聚力逐渐增加，黏性土有效黏聚力达到集美大道24.9kPa；全风化花岗岩黏聚力最大，为3 0 kPa。杂填土泊松比最大，为0.3 8；全风化花岗岩泊松比最小，为0.23；其余各地层泊松比在0.3 左右。弹性模量从上至下基本上呈现递增趋势，全风化花岗岩弹性模量最大，可以达到1 0 0 MPa。中砂和全风化花岗岩内摩擦角最大，杂填土次之，淤泥夹砂和残积黏性土由于土颗粒间摩擦相对容易，因此摩擦角较小。割线模量、卸载模量和加卸载模量依据勘察报告中相关试验和经验获取。表1 土体物理力学指标/)模量模量模量8.00.3814.80.331.00.2824.90.3030.00.239113325100型，板单元厚度h使用刚度等效法确定，见式（1）。(D+d)h3元d41264式中：d为桩径,D为桩外边缘间距。当d=1m,D=0.4m,求出 h=0.75m。2.2模型建立及施工步骤根据基坑的位置及大小的范围，合理选取模型尺寸，以减少边界效应影响，深度方向为桩底以下，上部边界为地表,模型长（Y方向）宽（X方向）高（Z方向）尺寸分别为3 94 m240m60m。双环对称支撑体系深基坑三维整体模型见图2。边界约束采用标准约束形式，水平方向仅约束其相应的水平位移，底部采用固定约束,约束其竖向及水平向位移。即计算模型的边界条件为：限制模型Y方向左右两侧面上节点的X图2 双环对称支撑体系深基坑三维整体模型5515.04.825.02.425.03.09.010.93.930.03.09.010.93.930.09.027.054.523.4150.0(1)福建材2023年岩土工程向位移（Ui=0）;X 方向前后两侧面上节点的Y向位移（U2=0）;模型底面上节点的X、Y、Z 向位移(U,=U,=U,=0)。基坑周边地面的超载按照1 0 kPa均布荷载考虑。在施工分析模拟阶段，步骤1 为激活各土层，施加边界约束和自重，将模型位移清零，以消除自重应力对位移的影响；步骤2 为激活钻孔灌注桩排桩板单元，模拟围护桩施工；步骤3 为钝化第1 层开挖土体，深度为内支撑下0.5m；步骤4 激活直撑（斜撑、角撑）及环向对称支撑，钝化第2 层开挖土体，分层分段开挖至基底；步骤5为激活地下室结构。3深基坑开挖施工引起围护结构及地表的变形特征图3 为深基坑开挖到基底后围护结构水平位移云图。由图3 及整个数值模拟过程可知，随着基坑土体的开挖，钻孔灌注桩及内支撑体系出现水平位移，位移值随着开挖深度的增大而逐渐增大，整个围护结构的位移较大点出现在环向支撑圆与基坑长边及短边的相切处，且出现点位均是对称的，而其余的直撑、斜撑及环撑位移相对较小。基坑开挖到基坑底，围护结构位移值最大为1 6.6 0 mm，最大点水平方向在环撑圆与基坑长边相切的位置，竖直方向在基坑开挖深度的1/2 处，位移朝向基坑内部弯曲，出现类似“鼓肚子 现象,这一模拟结果与实际情况基本一致。:16.5964k图3 深基坑施工时围护结构的位移云图图4 为深基坑开挖到基底后土体的隆沉云图。由图4 及整个数值模拟过程可知,随着基坑土体的开挖,基坑周边土体出现沉降，坑底土体出现隆起。沉降最大的点出现在基坑长边对称环撑的中心处,沉降最大值为-5.59mm；基坑隆起出现在基坑内环撑边缘处，隆起最大值为1 1.8 3 mm。且不论是周边土体沉降，还是坑底土体隆起,基本上均呈现对称分布。56PEZSPLACEMEIT1.8289.44+7.4754%$+4.57210.6:66924.40.21813.21.2338.041302.6853.0%6.587图4 深基坑施工时地表沉降的位移云图图5 6 为施工地下室及顶板后围护结构的水平位移及土体的隆沉云图。由图5 6 可知，围护结构的水平位移及土体的隆沉数值与前一阶段相比,略有减小，位移最大值为1 6.56 mm；土体沉降最大值为-5.56 mm，坑底隆起最大值为1 1.7 6 mm，最大值所在的位置仍保持不变。表明在主体结构施工期间，已有的变形基本保持不变，但实际施工过程中，仍不能大意，需尽快完成混凝土的浇筑，尽早封底。：1 6.56 3 3PESPLACEMENT020.5903.282.44718.298.7%46.9158.6%+4.149+5.5327.6%+1.38317.5540.0000.2+16.563+15.1833.+13.8038.+12.42210.+5.521+4.14117.30.00图5主体结构施工后围护结构的位移云图PLSFLACENENT75510.312+8.86947.4266.0%+5.9834.3%+4.5405.1+3.097Xi-5.5615924.1810.5$+1.6540.21113.31.2328.482.6753.5%4.1195.562图6 主体结构施工后地表沉降的位移云图4深基坑开挖施工时对称双环撑结构的内力分析图7 9为深基坑开挖到基底后对称双环撑的内力云图。在MidasGTS-NX中,轴力方向设定为压正拉福装建材岩土工程第7 期（总第2 6 7 期）负，因此环撑主要承受拉力。由图7 9 可知,环撑在与基坑边相切的部位拉力较小，在基坑的角部处拉力较大，最小的拉力值出现在环撑与基坑长边的相切处，为2 8 8 0.6 9 kN，最大拉伸值出现在两环撑之间的角部部位，为9 0 5 7.7 kN；剪力值相对较大的部位均出现在环撑与基坑相切处,其中环撑截面受剪最大值出现在两环撑之间的直撑连接部位，最大值为8 4 2.0 kN；弯矩较大值出现的部位基本与剪力较大处一致，弯矩最大值仍出现在两环撑之间的直撑连接部位，最大值为2344.4kNm。不同工况下2 个环撑的结构内力近似对称，说明环撑设计受力较均衡，设计是合理可行的。10.380.6873910.1917.7%424.9426.5k4939.6947.6%5454.4465969.19812.B12:08483.95012.9998.7028.8%7513.4549.5%8028.2068542.9585.2%9057.710图7深基坑施工时对称环撑的内力云图0.8%+832.943+693.3620.93.7%+553.781+414.2008.1元10.274.01921:04.5431004.123283.7048.6%423.2853.3%1.0.702.473562.8660.9%842.028图8深基坑施工时对称环撑的剪力云图+1153.7513.464.7%+792.895+432.03816.1#40.5%+71.18218:0289.674650.5317.22.6%1011.3871372.2440.9%1733.1001.7%2093.9560.4%2454.813图9 汽深基坑施工时对称环撑的弯矩云图图1 0 1 2 为不同施工阶段下对称双环支撑内力变化情况。从图1 0 1 2 中可以看出，随着不同的施工阶段和开挖深度，环撑的轴力呈现指数级迅速增加；剪力总体上呈现小幅度增长趋势，但总体变化不大；弯矩在第1 次土方开挖时达到峰值，后续小幅度减少并趋近平稳。总体来说，轴力变化最剧烈，开挖到基底后环撑各项内力变化均较小。因此，在实际施工时，要重点加强环撑轴力的监测，设定合理的报警值，适当增加监测频率。100008006000N/400020000围护结构完成第1 次开挖第2 次开挖开挖到基底底板结构完成施工阶段图1 0不同施工阶段对称环撑的轴力变化图850Xin:0.OL:9057.71,10L:9057.Z848N/镇8468442880.69842围护结构完成第1 次开挖第2 次开挖开挖到基底底板结构完成图1 1不同施工阶段对称环撑的剪力变化图2472Kin:0.OL42.028,3:.7.9665.11.0T:832.9432344.37,1.OL:1875.46Xin:0.OL:1672.99,1.UL2454.81施工阶段L:8.881552470246824662464:NY)246224602458245624542452围护结构完成第1 次开挖图1 2不同施工阶段对称环撑的弯矩变化图5结论以厦门市公共租赁房园博公寓基坑支护工程对称的双环撑为研究对象,基于地层-结构法,运用有限元模拟建立分析模型，分别研究了开挖过程中围护结构及地表的变形、双环对撑结构的力学性能,得到以下结论：（1）双环对称支撑体系下的深基坑施工,基坑的最大水平位移值为1 6.6 0 mm，横向上位于基坑长边环向支撑中间位置，（下转第6 8 页）57第2 次开挖开挖到基底底板结构完成施工阶段福建材岩土工程2023年从图4 中可以看出，不同风化程度花岗岩之间内摩擦角和标准贯人锤击数分布在不同的区域，标准贯人锤击数实测值能够反映花岗岩的力学属性，对2 个参数进行线性拟合和对数拟合，拟合决定系数分别为0.9812、0.8 7 1 2，拟合关系如式（6）式（7）所示。在实际工程中可以选择线性拟合的方式得到更优的内摩擦预测和风化程度划分效果。=0.5344N=26.459ln N-76.176式中：N为标准贯人试验锤击数实测值;为内摩擦角。5结论以漳州市长泰一中二期工程为研究背景，运用现场实测和统计学理论的手段，对不同风化程度的花岗岩标准贯入锤击数进行了研究，分析了其频次分布直方图和概率密度分布,并将内摩擦角与力学指标进行了拟合，得到以下几个结论：（1）不同风化程度的花岗岩标准贯入锤击数正态分布曲线拟合较好，全风化花岗岩标准贯人锤击数频次直方图主要分布在36 4 2 击，砂土状强风化花岗岩锤击数频次直方图主要分布在5 4 6 2 击，碎块状强风化花岗岩锤击数分布在5 8 6 6 击，正态分布曲线拟合较好。表明花岗岩的风化程度与标准贯入锤击数具有明显的相关性，应用实测的锤击数可以对花岗岩风化+（上接第5 7 页）竖向上位于开挖深度的1/2 处，地表竖向最大沉降值为5.59mm，坑底隆起最大值为1 1.8 3mm。（2）环撑在基坑的角部处拉力较大，最大拉伸值出现在两环撑之间的角部部位，为9 0 5 7.7 kN;环撑截面剪力最大值出现在两环撑之间的直撑连接部位，最大值为8 4 2.0 kN；弯矩较大值出现在两环撑之间的直撑连接部位，最大值为2 34 4.4 kNm。不同工况下2 个环撑的结构内力近似对称,受力较均衡。（3）施工过程中,环撑的轴力迅速增加,最为明显；剪力总体上呈现小幅度增长趋势；弯矩在第1 次土程度的划分取得较好效果。（2）不同风化程度花岗岩之间内摩擦角和标准贯人锤击数分布在不同的区域，标准贯入锤击数实测值能够反映花岗岩的力学属性,对2 个参数进行线性拟合和对数拟合，拟合决定系数分别为0.9 8 1 2、0.8 7 1 2,在实际工程中可以选择线性拟合的方式得到更优的内摩擦预测和风化程度划分效果。(6)参考文献(7)1陈法波,李志云,杨光华,等.福建平潭风化花岗岩原位测试及岩土参数取值研究.水利水电技术,2 0 2 0,5 1（7）：147-153.2周小文,罗兴财.全风化花岗岩与花岗岩残积土的判别及物理力学性质对比.长江科学院院报,2 0 2 2,39（4）：1-7.3张昆,郭菊彬.花岗岩残积土及全风化土标贯击数的概率分布).铁道工程学报,2 0 0 8,2 5（2）：6-8,2 5.4齐信,黎清华,焦玉勇,等.梧州市巨厚层花岗岩风化壳垂直分带标准及工程地质特征研究.工程地质学报,2 0 2 2,30(2):407416.5张长飞.晋江某热电厂花岗岩残积土标贯与物理力学参数关系研究山西建筑，2 0 1 8,4 4（2 2）：8 0-8 1.6龚经平.根据标准贯入试验锤击数对花岗岩残积土进行塑性状态分类探讨一以广州地区花岗岩残积土为例.建设科技,2 0 1 7(1 9):1 6 1-1 6 2.7安然,孔令伟,张先伟,等.基于原位孔内剪切试验的残积土强度指标及风化程度影响评价.应用基础与工程科学学报,2 0 2 2,30(5):1 2 7 5-1 2 8 6.8尹松,白林杰,李新明.花岗岩残积土的室内直剪与原位孔内剪切对比试验研究.公路工程,2 0 2 0,4 5（6）：6 6-7 2.方开挖时达到峰值，后续小幅度减少并趋近平稳参考文献1焦挺,金承良.软土地区多种支护形式综合应用施工技术.建筑技术,2 0 1 7,4 8(3):2 6 9-2 7 0.2李进.深基坑支护形式研究.四川建材,2 0 1 7,4 3（1):8 0,8 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