虑施工过程的基坑锚杆支护计算机模拟研究

1、文章编号:1001-7445(200502-0151-05考虑施工过程的基坑锚杆支护计算机模拟研究濮辉铭,燕柳斌,刘雄心(广西大学土木建筑工程学院,广西南宁530004摘要:用有限元通用分析软件A N S Y S 模拟了深基坑锚杆支护的施工过程,研究了土中竖向应力、基坑侧向位移、锚杆轴向应力随施工过程的变化规律和预应力锚杆锚固段剪应力的分布规律.分析结果表明,施工过程对基坑的各项监测指标都有明显的影响.关键词:深基坑;施工过程;锚杆;有限元中图法分类号:O 242文献标识码:A随着城镇建设中高层、超高层建筑的大量涌现,深基坑工程愈来愈多,基坑周围密集的建筑物、复杂的地下设施使得基坑放坡开挖这一

2、传统技术不再能满足现代城镇建设的需要.九十年代以来,基坑开挖与支护问题已经正在成为我国建筑工程界的热点问题之一.在深基坑支护工程中,基坑的支护形式有很多,如排桩支护、水泥土搅拌桩支护、地下连续墙支护、喷锚支护等等,而土层锚杆技术占有重要地位.深基坑锚杆支护自从20世纪70年代出现以来,发展极其迅速1.过去文献对考虑基坑开挖过程的基坑支护变形研究虽然比较多,但所研究的多为排桩支护、桩锚支护、挡墙支护等形式,但对预应力锚杆支护的研究较少,随着工程上考虑施工过程的深基坑锚杆支护的形式越来越多,因此研究深基坑锚杆支护施工过程对锚固设计显得特别重要并具有非常重要的现实意义.1有限元计算模型的建立为了能与

3、试验结果对比及模拟,计算机建模参照实验室的试验模型进行,结构模型由土体、锚杆、锚定板、砂浆锚固体等组成.模型尺寸为长2.16m ,宽2.6m ,高2m .顶面按实际情况施加均布面力6518P a,边界上用水平链杆支撑.图1单元划分图根据结构模型对称,计算机模型取一半计算,对称面施加水平链杆,并忽略锚杆的自重.为便于模拟,将圆形锚杆截面按等效原则换算成方形截面,从而使单元形状比较规则和便于与土体单元耦合,减少单元数量.土体和锚杆的锚固段用三维实体单元S O L I D 45模拟,锚杆的自由段用三维杆单元L I N K 8模拟.锚固段与土体间的联结采用接触单元,目标单元取T A R G E 170

4、,接触单元取C O N T A 174,砂浆锚固体不模拟.由于模型试验的荷载很小,锚杆的应力只有钢筋屈服应力的几十分之一,不会发生相对滑动,所以假定一个大的摩擦系数10.锚定板也不模拟,锚杆自由段与土体的联结采用结点耦合.单元划分后模型网格见图1.第30卷第2期2005年6月广西大学学报(自然科学版J o u r n a l o f G u a n g x i U n i v e r s i t y(N a t S c i E d V o l .30,N o .2J u n e ,2005收稿日期:20050321;修订日期:20050517作者简介:濮辉铭(1978,男,浙江长兴人,广西大学

5、助理工程师 .计算分析中采用了D r u c k e r -P r a g e r 本构模型2,3,它是最早提出的适用于岩土类材料的弹塑性本构模型,该模型参数少而且计算也比较简单,在工程中得到广泛应用,并且被证明在大多数情况下与实际情况符合得比较好.计算分析中利用A N S Y S 单元库的"生死单元"来模拟施工过程.首先分块建立模型,包括打入锚杆的土体、上下两层锚杆、上中下三层有待开挖的土体等,然后通过"杀死"或"激活"部分单元来满足各荷载步对模型的要求.模拟过程的示意见图2.第一荷载步第二荷载步第三荷载步第四荷载步第五荷载步第六荷

6、载步图2各荷载步生死单元示意图2计算分析2.1土体竖向应力与施工过程的关系及分析对于深基坑工程而言,如果土体应力超过了土体强度就会发生塌方.在基坑开挖过程中,由于基坑内侧的土体被移走,基坑壁会发生向坑内的位移,土体中的原始应力平衡和稳定状态被破坏,从而由相对静止状态转化为变形运动的状态,而打入锚杆,锚杆支护阻止了土体向基坑内移动的趋势,使土体的应力状态又发生变化,由变形运动状态慢慢转化为相对静止状态.在模型顶面任选一个靠近基坑壁的位置,在该位置向下15c m ,45c m ,80c m 处(分别位于三层土的厚度内提取竖向土压力数据,列于表1,绘于图3.表1测点竖向土压力单位:P a 测点荷载步

7、1荷载步2荷载步3荷载步4荷载步5荷载步6上点969296619667967596779727中点169401638117117174781749017969下点238132300723977240662412324791图3竖向土压力与荷载步间的关系251广西大学学报(自然科学版第30卷从有限元模型中得到如下结论:(1从第一荷载步到第二荷载步,各点土压力值都减小了,这说明施工过程中的第一层开挖后,随着基坑开挖卸荷,土体的应力状态明显发生变化,变化趋势为减小.(2从第二荷载步到第三荷载步,各点土压力值又有所回升,这说明由于预应力锚杆的加入改变了土体应力状态,增加了基坑壁土体的侧压力,阻止了基坑

8、壁的变形,也就阻止了土应力的减小.(3图中应力趋势线的二次项系数是正的,说明随着基坑逐级向下开挖,土中应力先减小后增大.2.2基坑侧向位移与施工过程的关系及分析在模型基坑的临空面上选取两排共六个测点,1#、2#、3#位于上排,4#、5#、6#位于下排,其侧向位移量随施工过程的关系列于表2,绘于图4.表2测点位移值单位:m m荷载步位移测点号1#2#3#4#5#6#100000020.0944960.0925620.0926260.0808040.0781930.08090230.0936240.090640.0909090.0796130.0755690.07866140.162330.157

9、320.158480.200450.193870.196150.16250.157540.158640.19970.192420.1947360.208260.204250.205140.263540.255170.25787图4有限元模型中1#测点位移值与荷载步间的关系2#6#测点关系图与1#在形状上几乎一样,差别只在于数值上有较小的变化.分析图表,可以从有限元模型中得到如下结论:(1第二荷载步(即开挖了第一层土时,基坑最大侧向位移出现在1#、2#、3#测点,而第四荷载步(即开挖了第二层土时,基坑最大侧向位移出现在4#、5#、6#测点.这说明随着基坑不断开挖最大位移点也不断下移,最大位移点不

10、是在基坑壁顶部,而是在基坑壁中部某个位置.做基坑设计时应该在该位置加强支护,防止基坑壁在该处鼓出而使基坑失稳破坏.(2每开挖掉一层土基坑侧向位移就增长一点,但是随着一层层锚杆发挥作用,侧向位移的增加幅度在一次次地减小.这说明锚杆的加入虽不能停止位移的发展,但在一定程度上阻碍了位移的发展,结果是减小了总的位移量.2.3锚杆锚固段轴向应力与施工过程的关系及分析锚杆锚固段轴向应力随着施工过程的深入,肯定要不断地重分布.在第一排任选一根锚杆,距锚固端不同距离处的轴向应力见表3,绘于图5.351第2期濮辉铭等: 考虑施工过程的基坑锚杆支护计算机模拟研究表3锚固段轴向应力表单位:k P a荷载步位移测点号

11、00.050.10.150.20.253146.776500.2191041.1741524.3181863.3061864.3514171.044625.7961247.7401754.6662088.0472014.6105137.564614.1481213.5541642.2462037.7081995.4966190.051753.3181350.8431857.7972192.1672130.397图5锚固段轴向应力与荷载步间的关系图从有限元模型中得出如下的结论:在第三荷载步时,因为锚杆是预应力的,所以一参与工作马上就有应力值,第四荷载步时,由于第二层土的开挖锚固体的拉应力明显增大

12、,第五荷载步时,因为第二排锚杆加入了工作,分担了一部分荷载,所以位于第一排的3#锚杆的轴向应力出现了少量的回缩,第六荷载步时,又由于第三层土体的开挖增大了荷载,所以轴向应力也随着上升了.2.4锚杆锚固段剪应力分析锚杆锚固段的剪应力分布规律也是人们关心的问题,在预应力锚杆的极限抗拔力计算中,假定三角形分布与假定均布相差一倍的抗拔力,所以研究这一规律十分重要.本文中提取第六荷载步时有限元模型中任一根锚杆的剪应力分布来分析其规律.剪应力值列于表4,绘于图6.表4第六荷载步时锚杆剪应力表单位:k P a 距离/m 00.050.10.150.20.25锚杆18.02626.31135.11038.02

13、337.28636.839图6第六荷载步时锚杆剪应力分布图从有限元模型中得到这样的结论:(1锚固段在与自由段相接的部位(0.25m 剪应力差不多接近最大值,紧接着的中间段锚固体(0.10.25m 剪应力也很大,而且峰值出现在中间偏连接处的位置.锚固体的远端(0m 剪应力要小得多,从远端到中间段(00.1m 的过渡基本上呈线性变化.这是因为连接处至中间段的土体出现了塑性变形,所以这一段内都达到或接近最大值.土体应变传递到远端会减小,所以剪应力较小.从远端到中间段的土体处于弹性变形状态,所以剪应力线性过渡.(2锚固段剪应力的分布曲线形状都呈现上大下小的非均匀分布,这说明锚固段的一端承受了大部分的荷

14、载而另一端只发挥了很小的作用.所以对锚固段工艺的改造,可以改善剪应力分布形式,更加充分和经济地利用锚杆.3结语通过计算机模型分析,我们得出了基坑锚杆支护中几个关键量值随施工过程的变化规律,给基坑的设计提供了定性的参考资料,也为下一步的定量分析做了一些铺垫.451广西大学学报(自然科学版第30卷参与文献:1崔德仁.国内外锚杆支护技术现状及发展趋势J.煤炭学报,1997,6(1.2邱.基坑复合土钉支护的三维有限元分析C .清华大学,2001.3吴文.深基坑桩锚支护体系的支护机理、现场试验及数值分析研究博士论文.中科院武汉岩土力学研究所,1998.C o m p u t e r s i m u l

15、a t i o nr e s e a r c ho f f o u n d a t i o np i t a n c h o r b o l t i n gw i t hc o n s i d e r i n go f c o n s t r u c t i o np r o c e s sP U H u i -m i n g ,Y A N L i u -b i n ,L I U X i o n g -x i n(C o l l e g e o f C i v i l a n dA r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g ,G u a n g

16、 x i U n i v e r s i t y ,N a n n i n g 530004,C h i n aA b s t r a c t :A g e n e r a l u s e df i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ec a l l e dA N S Y Si su s e di nt h ep a p e r t os i m u l a t et h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so f f o u nd a t i o np i ta n c h o rb o l t i n g .T h

17、ec h a n g i n gd i s c i p l i n a r i a n so f ve r t i c a l s o i l p r e s s u r e ,a x i a ls t r e s so fa n c h o r ,l a t e r a ld i s p l a c e m e n to ff o u n d a t i o n t o c o n s t r u c t i o n p r o c e s sa r er e s e a r c h e d .S h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n a r i a no f a n c h o rs e g m e n t i sa l s oc a r r i e do u t f r o m F E A m o d e l .T h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n a n a l y s i s d e m o n s t r a t e s