HS模型在基坑开挖模拟中的应用.pdf

第!卷第#期!模型在基坑开挖模拟中的应用!杨毅秋1!严驰1!袁中立2$%天津大学建工学院!天津!&#%中国石油集团工程技术研究院!天津塘沽!()*+$摘要%以天津国际贸易中心基坑工程为例!采用,-./0121345627模型对基坑开挖过程进行数值模拟 为更好地模拟开挖过程中支护结构的时空效应!采用有限元分步计算围护变形和基底隆起及整体稳定性!并与实测值进行对比分析 结果表明!地下连续墙体前#后土压力实测值与有限元计算结果吻合较好!用,-./0121345627模型计算的基底回弹变形量与现场实测值比较接近关键词%基坑工程$基坑支护$!模型$土压力$回弹量$计算中图分类号%89*&文献标识码%:文章编号%$)$4)#!)*)#4)$;4)*!引言随着我国城市高层建筑的大量兴建#深基坑开挖支护工程以其诸多成功和失败的经验教训备受岩土工程界$建筑界及开发商的关注%从一定程度上说#深基坑支护工程是一项复杂的系统工程#它几乎涉及到岩土力学与工程的各个方面%如土力学$工程地质学$水文地质学$结构力学以及监理$监测$施工方法等领域%目前应用比较成熟的支护结构型式大体可分为悬臂式$内撑式$锚拉式和逆作式支护结构%其中逆作式支护结构为分层开挖#分层构筑各层楼板#从根本上改善了传统开挖法的护坡受力状态#而且分层降水#边开挖边构筑护坡墙#有利于基坑隔水#防止了降水对邻近建筑物的影响%支护结构的种类将随着深基支护结构技术的发展而不断发展%一方面新型的支护结构$施工方法还在实践中不断探索#另一方面各种结构复合使用$组合使用的方法也会在实际工程中大量采用#以满足日益复杂的地下工程的需要%基坑支护体系的内力计算深基坑支护结构的设计计算包括外力?土压力及地面超载和支护结构内力$弯矩的计算以及整体稳定性$地基承载力$桩顶位移等验算#对于高水位地层#尚需进行地下水处理$抗管涌的设计计算%基坑支护体系的内力计算方法大致可分为常规设计法$弹性抗力法和有限元方法三类%从原理上说#常规设计方法无法解决的问题在有限元方法中都可不同程度地得到解决%用有限元方法正确计算的关键是要选用合适的计算模型和参数#以及如何定义安全系数#并与常规设计方法计算的安全系数相匹配%在基坑开挖模拟中#选择合适的模型至关重要%土体的加$卸荷模量不同#对于开挖来说#由卸荷产生的基坑隆起是有限的#大部分隆起变形是由地下连续墙体!简称地连墙 的水平移动造成的%而理想的弹塑性模型显然不能满足要求%本次计算采用了,-./0121345627模型#简称,5模型!由5AB-1C于$;D年提出#当对土体施加偏应力!$4!时#土体表现出刚度下降#产生塑性应变%在固结排水试验中竖向应变!4$和偏应力!$4!的关系可以近似用双曲线拟合!见图$#这种关系最早由E61/10.!$;#!年 提出#之后被著名的FG1A-1 H IB-13!$;&(年 采用%,5模型在FG1A-1 H IB-13模型的基础上采用了塑性理论#同时考虑了土的膨胀和压缩屈服面!见图%卸荷模量!#与回弹指数#之间的关系&!$J!%?=4&$K?$L)K$!=式中(卸荷模量参考压力(&$卸荷泊松比()初始孔隙比%在固结排水试验中#竖向应变!4%=和偏应力的关系表示为&石油工程建设!石油工程建设!#年$!月%!&!()!&%*$+&%*#,&%*#当&%*-&%*#时#!#式中!(.$固结排水试验得出的割线模量%即偏应力达到(./时所得到的割线模量&%*#偏应力渐近线值&%*#$偏应力破坏线值(!工程概况天津国际贸易中心位于天津市南京路与马场道交口处%分主塔楼和副塔楼及裙房三部分%拟建主楼地面以上0.层%高!&1 2%采用钢结构$框架支撑加钢臂结构%钢管混凝土柱%柱网距3 243 2%单柱荷重约01.#.56%基底压力约17(589%副塔楼为!1层住宅楼及1层附楼%地下*层%主塔楼基坑深度为+&(:*2%副塔楼基坑深度为+&#:(2(支护结构为地连墙加钢筋混凝土格构式内撑系统%地连墙墙体宽:1 2%深!1;*#2%内撑系统总体为对撑式桁架支撑%部分支撑型式为钢筋混凝土对撑桁架加边桁架及角撑%竖向分!层%局部*层(首层支撑中轴标高为%!%第!层支撑中轴标高为+7:0)2%第*层支撑中轴标高为+&#:&)2(基坑开挖分两期进行%一期开挖主塔楼部分%自&331年(月!日开始&二期开挖副塔楼及裙房部分%从(月&*日开始(开挖的施工顺序为先挖土至+7:0 2%作第!层支撑%然后主塔楼处开挖至&#:&2%做第*层支撑(按照设计要求%我们对地连墙在开挖过程中的变形及墙前)后的土压力进行监测(在地连墙中设置了&!孔测斜管及!个土压力测试断面%测点布置见图*(由于#?测点既有墙身变形观测点%又有土压力观测点%且处于基坑中部%受两端边界的影响较小%故取#?测点的监测值与理论计算结果相比较(根据工程实际建立有限元模型%采用平面应变分析#?测孔所在断面(土体采用&(节点三角形单元%两侧以半无限单元模拟无限远处(土体与地连墙体设置接触面%接触面采用AAB29C单元(为模拟实际的施工过程%将开挖分成(个阶段%利用单元生死进行增量分析(地连墙主)被动土压力和地连墙水平位移模拟结果见图#;0(图!#模型主应力空间的压力屈服面图$固结排水试验的应力!应变关系9#土压力实测值与经典土压力计算值对比图%基坑平面布置及测点布置示意!第!卷第#期从土压力分布图形来看!墙后土压力数值随墙身变形的增大而逐渐减小!这是因为土压力从静止状态到被动状态渐进变化的过程是与墙体变形与否密切相关的 随开挖深度加大!墙体变形也逐渐增大!作用于墙身前#后的土压力大小亦相应调整!主动侧土压力逐渐减小!被动侧逐步增大 从图中不难看出采用$%模型的有限元计算值与实测值数值接近!吻合得较好高层建筑的基坑面积大#开挖深!对这类大规模卸荷情况!如何准确预测坑底回弹变形量!一直为工程界所重视 因土不是纯弹性体!在不同应力路径下!其性质变化有很大差异&(图)为$%模型计算的最终回弹变形量!最大值出现在基坑中心!回弹量为#*+,!-!现场实测最大回弹量为.+#-!比较接近在计算整体稳定性时!利用有限元计算特点!采用$/0123强度参数折减法%!减小黏滞力!和杨毅秋等&$%模型在基坑开挖模拟中的应用!石油工程建设!#年$!月摩擦角!直至得到结构极限破坏时!临界值与实际!的比来计算安全系数!从分步计算的结果来看!挖至%&#&(时!安全系数最小!为&)*+!满足整体稳定#!结论$&%在墙顶受支撑约束情况下!地连墙墙身水平位移曲线为两头小&中间大的鼓肚形!最大位移发生在开挖面附近#$!%,-模型适合分析黏性土受力!特别是对因卸荷而产生的地基回弹量的计算比较准确#$.%地连墙前&后土压力实测值与有限元计算结果吻合较好#参考文献!/&0赵锡鸿!陈志明!胡中雄!高层建筑深基坑围护工程的实践与分析/12)上海同济大学出版社!$33*)/!2崔江余!梁仁旺!建筑基坑工程设计计算与施工/12)北京中国建筑工业出版社!$333)/.24567 8,9:;?4 19 6A)B7?%AC?6D EF6G 57DH 6?I(57I 6?I 6FFACG6C7?C?IF JG6K6C7?LC?DC?L MN0OD7G$P5 Q?=7?R 7?-1STM=0 U;DVHW!XX&Y&.+Z&#&)#2林有!胡中雄)深基坑卸荷回弹问题的研究/2)岩土工程学报!$&%&%&#)作者简介!杨毅秋&33%#$男$天津人$硕士研究生$就读于天津大学建筑工程学院岩土工程专业%收稿日期!#%3%3(修回日期!#%&%!P无缝钢管过盈压接的非线性有限元模拟!王燕群1 李春润2 张田利2#&)天津大学机械学院 天津.!$!)中国石油集团工程技术研究院 天津塘沽.#P&%摘要!无缝钢管过盈压接工艺是近年来发展起来的一种管道连接技术$具有管道连接施工效率高&接头防腐性能好等优点%压接过程的应力分析对压接工艺设备的设计和了解接头的连接强度具有重要作用$文章针对&P3(+(无缝钢管$利用弹塑性大变形有限元方法模拟了无缝钢管过盈压接工艺的全过程$分析了胀口&退模&压接过程的应力和接头的连接强度$得到了胀口及压接所需的轴向推力$给出了压接残余应力分布和保证接头强度所需的配合长度$为压接设备和接头的设计提供了依据%关键词!无缝钢管 压接 有限元方法 数值模拟 应力分析中图分类号!U_&P文献标识码!_文章编号!&%!*$!#%*%!%.无缝钢管过盈压接是近年来开发的管道连接新技术!其基本原理是先将一根钢管的管端用模具扩孔!如图&所示图中#$为胀口所需轴向推进力a!然后将此具有一定过盈量的!根钢管的对接端涂敷密封防腐胶后!按一定插接长度进行压接形成接头!如图!所示图中$!为过盈压接所需轴向推进力b#接头内外管之间过盈配合产生的接触压力使两管结合为一体!并可承担足够的轴向拉力#该方法施工效率高!特别是解决了管道连接处的防腐层连续性问题!使管道的整体防腐性能有了极大提高!在油田集输管道工程中具有明显的优越性!受到广泛关注#但有关这方面的研究还很少!扩孔&压接轴向推力和接头过盈量大小等主要利用试验和经验性公式)&Z!*确定!成本#!#$!%&()#%*#)+,-./0!1213456 78+9:;9(1?15?978#2?1A!#$%&(%（!#$%&($)$*+#,-.($/$#$，0%.12#，!/3%#4.567877，0%/.4），)$*+,-.%&(，!/-.%0&12%，34.56$B2?435?C9($:/+;/;+/.2$3$/.($,&4($#2/2 4.2 2(/1.2/.+/1%$:$%3.3*$3.2/$/.:=+4,4?#(%4./+;/;+/.A B%$3%./34+;*/.3/;+4.2*4+/4$/.,$%2&*C*#1%$:*&4*2A9($:+4D 2$3$/.(:$&4*(C4(2.14$/E&4E 2$3$/.$%*&4(3,;/+2&/$%F/(#4+G4(/3 5A7+4.1#41A B%2.4,/3 24$4 H3%4.1 I?JK$3%./L#&4(#(2$*4+/$%/.$1*4M$/.&/$%!09?9($,AD1 E74F2C/+$*4.(,/(/.;/;+/.N+4D 2$3$/.N($,N%4*2&4*N(:$&4*-.G0$:953?978 7H&#I7F1:98 J321;9?K53L3?978#9AM:3?97878*+7(&9(2（0/E/+J.1/.*/.1 0+41:B/4.O/.P./E*(/$(/+,2+/(#(2/.#,*/34+($/,#+4$/.:C4(;/$H34E4$/.1;*3(&/$%$%B/4.O/.-.$*.4$/.4+B*42 0.$*4(4.H4,;+A-.*2*$,4D C$*(/,#+4$/.:*$/,(;43:3$:(%*/.1($*#3$#*2#*/.1 H34E4$/.1U$%:/./$+,.$,$%2/(42;$2$34+3#+4$($;C($;$%(%*/.1 2:*,4$/.UC4(%4E 4.2/.$1*4+($4C/+/$&4+4*/.12 433*24.3&/$%$%*(#+$(:*,:/./$+,.$,$%2 4.2$%34+3#+4$2 C4(*(/+/.3 2:*,4M$/.&/$%T4*2./.1(/+,2+/(3+($%,4(#*2 24$4AD1 E74F2C C4(;/$.1/.*/.1N C4(;/$(%*/.1N T!,2+N(/+;*(#*N*(/+/.3 E4+#N 34+3#M+4$/.-NN0,78O:98134 P989?1:1A18?I1?67F#9AM:3?978 7H)8?14H141851 P9?7H#13A:122#?11:;9128*+7.%&92%（V3%4./3(0+41:B/4.O/.P./E*(/$8*+?(.%&5($B2?435?C-.$*:*.3:/$3%./L#:*(4,+($+;/;(%4(42E4.$41(:%/1%3.($*#3$/.:M:/3/.3 4.2 12 4.$/3*(/.;*;*$A B%($*(4.4+(/(:/.$*:*.3:/$;*3(/(/,;*$4.$2M(/1./.$*:*.3:/$L#/;,.$A B%4#$%*(4;+/($%+4($/3+4*1 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