基坑咬合桩支护结构变形有限元模拟.pdf

872023.07/技术与部品2023 年第 7 期随着城市道路和建筑数量的增多，地下管线的分布情况越来越复杂，这给基坑工程的施工带来了不小难度，也给基坑工程对周边环境的影响、基坑支护结构的稳定性等提出了更高要求1-3。咬合桩作为基坑支护结构的一种类别，与其他基坑支护结构形式相比，因其有着工程造价低、对周围环境影响小、便于施工等优点而备受青睐4，众多学者也对其支护效果进行了研究。涂芬芬等5分析总结了基坑施工时造成咬合桩支护结构桩缩径的因素，并结合理论知识和现场实测数据，提出了相应的坑内补强方法；张晓涛等6以某地铁基坑工程为例，分析了咬合桩桩间距和桩径对围护结构受力变形的影响规律。基于此，本文以南方智媒大厦基坑支护项目为例，通过数值模拟的方式对咬合桩的径向位移和附近土体的沉降变化趋势进行了分析，并与实际监测结果进行对比，为相关工程提供指导和借鉴。一、工程概况南方智媒大厦位于广州市黄浦区黄埔大道东南侧，拟建地上 22/31 层办公楼及 5 层裙楼，设四层地下室，地下室占地面积约 9010m2，地下室基坑总体呈长方形，基坑支护内边周长约 400m。0.00相当于绝对标高 8.50m，场地周边自然地面标高约为 7.00m(绝对标高)，地下室基坑底面绝对标高为-10.1m 及-11.3m（塔楼区域），基坑开挖深度17.818.3m。本基坑根据场地质情况、地物地貌、建筑功能、周边情况及经济指标优选设计方案，采用咬基坑咬合桩支护结构变形有限元模拟 史秋艾（中煤地生态环境科技有限公司，北京，100071）摘要在基坑开挖过程中，支护结构的受力变形情况对基坑的稳定性十分重要。为掌握咬合桩支护结构在支护过程中的变形趋势，本文以南方智媒大厦基坑支护项目为例，通过数值模拟的方式对咬合桩的径向位移和附近土体的沉降变化趋势进行分析，并与实际监测结果进行对比。研究结果表明，随着开挖深度的增加，各工况咬合桩的径向变形先增大后减小，在整体上均表现为两端小中间大的“鼓肚形”，各工况下环梁、冠梁部位桩体径向位移变化幅度最低；当和基坑距离逐渐增大时，土体沉降值表现为先增大后减小的趋势，在距离基坑接近 8m 处达到最大；在整体上支护结构径向位移实际监测结果和数值计算结果的变化趋势比较接近，两者差值较小。关键词基坑开挖；支护结构；咬合桩；变形；数值模拟Abstract:During the excavation process of the foundation pit,the stress deformation of the support structure is very important for the stability of the foundation pit.In order to grasp the deformation trend of the interlocking pile support structure during the supporting process,this paper takes the foundation pit support project of the Southern Smart Media Building as an example,analyzes the radial displacement of the interlocking pile and the settlement change trend of the nearby soil through numerical simulation,and compares with the actual monitoring results.The research results indicate that as the excavation depth increases,the radial deformation of the interlocking pile in each working condition first increases and then decreases,and overall,it shows a bulge shaped shape with small ends and large middle.The radial displacement changes of the pile body in the ring beam and crown beam parts are the lowest under each working condition.As the distance from the foundation pit gradually increases,the soil settlement value shows a trend of first increasing and then decreasing,reaching its maximum at a distance of nearly 8m from the foundation pit.Overall,the variation trend of the actual monitoring results and numerical calculation results of the radial displacement of the support structure is relatively close,with a small difference between the two.Keywords:excavation of foundation pits,support structure,interlocking pile,deformation,numerical simulation88/2023.07技术与部品2023 年第 7 期合桩、环梁等支护形式。本项目基坑安全等级为一级，基坑支护结构有效期自支护结构完工之日起为一年半。本项目坡顶外 2m 范围内严禁堆载，2m 外堆载不超过 20KPa。二、建立数值模型1.模型尺寸和参数选择当基坑支护形式为咬合桩结构时，基坑附近土体受到开挖活动的影响范围约为开挖宽度的 3 至 5 倍。同时，考虑到在数值模型节点数和单元数过多时会影响计算效率，所在要在保证计算准确性的基础下，对模型节点数与单元数进行简化，便于提高模型的计算速度。此次所研究的咬合桩基坑结构对称，并且附近土层分布均匀，故此次仅分析 1/2 的模型，50m、40m 和 80m 分别为模型的竖向深度、宽和长。在基坑数值模型四周设置法向位移约束，基坑数值模型底部设置 XYZ 方向位移约束，前后左右均法向位移约束，并添加自重。选择摩尔-库伦弹塑性模型来模拟土体的本构关系，此模型参数获取较为容易，且参数数量少。同时由于土体的抗压强度远远低于支撑和围护结构的抗压强度，故选择线弹性模型来对支撑和围护结构进行模拟，数值模型示意图见图 1。2.工况设置此次主要分析基坑围护结构在基坑施工开挖过程中的受力变形情况，且基坑是从上往下进行开挖的，故定义基坑各个开挖阶段为单独的一个施工阶段，定义围檩施工为单独的一个施工阶段。参考实际施工和设计方案将施工步骤分成 5 个工况，共 12 步，工况具体情况见表 3。对于参数的选择，结合相关地勘资料，将场地内土层分成 6 层，从下至上分别为中风化岩、强风化岩、粗砂、中砂、细砂和杂填土，土层的相关参数见表 1，混凝土和钢筋的相关参数见表 2。土层类型厚度/m压缩模量/MPa内摩擦角/重度kN/m3弹性模量/MPa中风化岩2021233125.16370强风化岩0.5182723.5500粗砂6.4153519.5117中砂131131.519.335细砂4.552518.528杂填土3.4-10.818.518材料泊松比 弹性模量/MPa重度 kN/m3混凝土0.23150025钢筋0.2720000078施工阶段施工工作工况类型坑底深度/m阶段 12底板施工工况 526.6阶段 11第 5 次开挖阶段 10第 4 道环梁施工工况 421阶段 9第 4 次开挖阶段 8第 3 道环梁施工工况 316阶段 7第 3 次开挖阶段 6第 2 道环梁施工工况 211阶段 5第 2 次开挖阶段 4第 1 道环梁施工工况 16阶段 3第 1 次开挖阶段 2冠梁、支护结构的施工阶段 1初始地应力平衡三、计算结果分析1.分析咬合桩径向位移变化趋势为了将咬合桩支护结构的变形趋势反映出来，提取数值模拟计算数据并处理成图，得出各工况下咬合桩的径向变形趋势，具体见图 2。图 1 数值模型示意图表 1 土层相关参数表 2 钢筋和混凝土相关参数表 3 工况具体情况图 2 各工况下咬合桩的径向变形趋势892023.07/技术与部品2023 年第 7 期从图 2 中能够得到，随着开挖深度的增加，各工况咬合桩的径向变形先增大后减小，在整体上均表现为两端小中间大的“鼓肚形”，且随着开挖活动的进行（工况 1 至工况 5），侧移最大值慢慢提高，出现变形最大值所对应的深度也逐渐变大，整体表现出的“鼓肚形”变形趋势也更加明显。同时从图 2 中能够得出，各工况下环梁、冠梁部位桩体径向位移变化幅度最低，冠环梁能够很大程度抑制桩体径的向位移。4.15mm、2.78mm、2.09mm、1.51mm 和 0.89mm分别为工况 5 至工况 1 的侧移最大值，所对应的基坑深度依次为-23mm、-18m、-12.6m、-8.1m 和-6.6m，相邻两工况间的侧移峰值相差不大。2.分析基坑周围地表沉降变化趋势图 3 为各工况下距离基坑不同部位处土体的沉降变化趋势。的变化规律也大致相同。3.验证数值结果的准确性选择工况 1 和工况 5 时支护结构径向位移实际监测结果和其数值计算结果进行对比，验证数值计算结果的准确性，工况 1 和工况 5 的具体对比结果见图 4。从图 3 中能够得到，当和基坑距离逐渐增大时，土体沉降值表现为先增大后减小的趋势，在距离基坑接近 8m 处达到最大，4.72mm、4.23mm、3.88mm、3.58mm 和 2.85mm 分别为工况 5 至工况 1 的土体沉降最大值，且 0.5mm、0.36mm、0.31mm 和 0.73mm分别为两接近工况沉降最大值间的差值。整体来看，相邻工况间差值较小，这一规律和咬合桩径向位移变化趋势基本一致。对此现象进行分析：在基坑施工开挖时，基坑外部主动土压力作用在咬合桩桩身上使其出现变形，在咬合桩变形的影响下，基坑外部土体同时出现朝向基坑内部的变形，最终使基坑附近土体产生沉降，故随着基坑施工活动的进行，咬合桩径向位移和基坑外部土体的沉降有一定的比例关系，且两者从图 4 中能够得出，在整体上支护结构径向位移实际监测结果与数值计算所得结果的变化规律大致相同，但实际监测结果要比数值计算结果略大，4.88mm为监测所得侧移最大值，4.15mm 为模拟所得侧移最大值，对造成两者误差的原因进行初步分析：一方面是施工环境的影响，使监测过程受到了干扰，如施工时场地的震动、施工材料、施工设备的堆放等；另一方面是模型参数的选择可能考虑不够全面。但从整体来看，数值计算结果和实际监测结果间的差值较小，模拟效果较好。四、结语本文以南方智媒大厦基坑支护项目为例，通过数值模拟的方式计算出咬合桩的径向位移和附近土体的沉降变化趋势，并与实际监测结果进行了对比，主要得到以下结论：（1）随着开挖深度的增加，各工况咬合桩的径向变形先增大后减小，在整体上均表现为两端小中间大的“鼓肚形”，且随着开挖活动的进行（工况 1 至工况 5），侧移最大值慢慢提高，出现变形最大值所对应的深度也逐渐变大，整体表现出的“鼓肚形”变形趋势也更加明显。图 3 各工况下距离基坑不同部位处土体的沉降变化趋势图 4 支护结构径向位移实际监测结果和其数值计算结果对比图90/2023.07技术与部品2023 年第 7 期（2）当和基坑距离逐渐增大时，土体沉降值表现为先增大后减小的趋势，在距离基坑接近 8m 处达到最大；在整体上支护结构径向位移实际监测结果和数值计算结果的变化趋势比较接近，两者差值较小，整体模拟效果较好。参考文献：1 张晗.基坑开挖对邻近土体扰动的孔压静力触探试验分析 J.中国水运（下半月），2023，23（06）：147-149.2 贺旭.软弱地层基坑开挖支护方案比选研究J.铁道建筑技术，2023（05）：100-104+125.3 杨国富，占城高龙华.深厚淤泥地层地铁车站基坑变形控制技术研究 J.现代城市轨道交通，2023（05）：71-77.4 张茵涛.砂层隧道预加固咬合桩施工技术与费用分析 J.现代隧道技术，2016，53（03）：195-201.5 涂芬芬，田志国，深基坑渗漏及咬合桩缩径的研究及处理方法 J.广东土木与建筑，2023，30（04）：32-35.6 张晓涛，贾方毅.砂卵石地层地铁车站基坑咬合桩围护结构参数分析 J.四川建筑，2023，43（01）：77-80.作者简介：史秋艾，女，1971 年生，高级工程师，主要研究方向为工程管理。足基础的功能布局的前提下，尽可能增多户外活动空间环境内对于儿童感官刺激和多层次体验的空间元素，给儿童营造具有多重感官体验的空间环境，促进被感知的可供性发生。4.安全可靠保障幼儿园户外活动空间中的儿童活动顺利进行，安全性是最基本的。儿童年龄较低，在游戏活动过程中容易沉浸于游戏而忽视了身边环境中潜在的危险，因此对幼儿园户外活动空间的安全性要求很高。首先要保障所用材料的安全性，其次，在活动空间和游戏设施上设置防护设施，最后，设施维护与环境卫生的保持也是重要环节。另外，还应该有遮阳、避雨的空间设施，满足暴晒和阴雨天气的活动需求。追求幼儿园户外活动的安全性，不过分保护儿童，而是注意空间环境的安全细节，培养儿童的安全意识。5.多可变性儿童在幼儿园学习的时间比较持久，时间长了对于活动空间的新鲜感也会减弱，如果空间环境可以呈现出不同的形态效果，那么对于儿童来说就会有持续的吸引力。可以在户外活动空间内设置可变设施，通过材料、声控、光影或者拆解重组的方式来改变环境，产生不同的空间形态。空间环境的变化也会激发儿童的想象和创造力，参与环境的改变，带来更多被塑造的可供性。四、结语研究探讨幼儿园户外活动空间中儿童与环境之间的交互关系，运用可供性理论的视角，从空间分布与量化统计的方面切入，使研究更加全面。但由于幼儿园户外活动空间的使用还受到教学内容、教师引导等多方面的限制，会对儿童的行为活动产生影响，分析可能存在不全面的情况。总体而言，本文为幼儿园户外活动空间的研究提供了一个新的思路，通过可供性理论的视角，以期为幼儿园户外活动空间的设计研究提供一定借鉴。图片来源：图 1、2、3、4 作者自绘，表 1 根据文献 4绘制，表 2、3、4 作者自绘参考文献：1 Gibson J J.The ecological approach to visual perceptionM.Boston:Houghton Mifflin Company,1979.2 宋天明.基于可供性理论的大学校园广场景观评价与设计研究D.沈阳建筑大学,2018.3 罗 玲 玲,李 爽.基 于 可 供 性 理 论 的 老 年 健 康 环 境 设计 探 索 J.建 筑 技 艺,2019(12):58-62.DOI:10.3969/j.issn.1674-6635.2019.12.012.4 Kytt M.Children in outdoor contexts:affordances and independent mobility in the assessment of environmental child friendliness D.Helsinki:Helsinki University of Technology,2003:5657,93945 曲琛,韩西丽.城市邻里环境在儿童户外体力活动方面的可供性研究以北京市燕东园社区为例 J.北京大学学报(自然科学版),2015,51(03):531-538.DOI:10.13209/j.0479-8023.2015.023.6 易芬.居住区在儿童户外体力活动方面的可供性研究以南京市奥体新城青桐园为例 J.建筑与文化,2016(06):151-153.(上接第 53 页)