ADINA程序对深基坑变形三维有限元模拟的应用

1、ADINA程序对深基坑变形三维有限元模拟的应用作者：董行来源：科技创新导报2012年第22期董行(西南交通大学四川成都611756)摘要:深基坑工程一般会在城市建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程的近旁进行,深基坑一般是为了设置建筑物的地下室而根据需要进行挖掘的,属于临时性工程,但其工程如果完成不好,则会危及周边的建筑,所以近些年来结深基坑的设计上进行了深入的研究,采用了信息工程和动态的设计思想。本文采用通用有限元程序ADINA对某基坑工程进行三维动态模拟,通过计算将结果与实测变形数据对比,以验证模型参数的合理性,并采用此合理参数为基础数据进行数值模拟,研究支护结构变形规律。关键词:

2、深基坑有限元程序ADINA动态模拟中图分类号:TU47文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)08(a)-0050-021 引言步入21世纪第2个十年,我国大中型城市的经济飞速发展,尤其房地产行业的不断扩张,大型高层建筑不断涌现,随之而来的是各种岩土体工程的大量开展,其中最重要的当属深基坑工程。深基坑工程在国外被称之为“深开挖工程”,深基坑工程在中国起步较晚,在工程开始之初设计时以开挖工程的诸多技术参数为依据,但在实际施工过程中却往往引起支护结构内力和位移以及基坑内外土体变形,传统的设计方法存在许多弊端。有鉴于此,人们不断的总结实践,针对深基坑工程,进行了一系列的改进,在深基坑设

3、计、施工管理过程中,由于岩土体性质的多样、不确定性对基坑支护结构的变形影响较大,为提高基坑施工管理的效率,以快捷、直观的方式预测基坑变形成为关键。本文采用有限元方法,对某基坑进行模拟分析,分析预测其变形,以考察此种方法对于基坑预测的可行性。2 工程概况2.1 工程环境特征沈阳奉天商务大厦位于沈阳市和平区,工程为高层建筑,基础埋深11.3m,该工程的新建高层部分与原办公楼紧密相连,周边工程建筑物比较密集,高交通量的城市主干路环绕,从而影响基坑的因素较为复杂。2.2 工程勘察数据整理(表1)(1) 土体相关参数数据2.3 支护结构形式及基坑变形检测数据本工程采用排桩加锚杆支护结构,桩间采用挂铁丝网

4、喷射混凝土支护。基坑变形与建筑物沉降，沉降量最大值为7mm最小值3mm;向坑内水平位移最大值为11mm最小值2mm3 建立模型3.1 计算模型模型采用parasolid建模方式，借助ADINA的切割辅助功能，分割模型区域：如岩土体分层,支护结构部分等。计算区域按照经验设定，底边界距离坑底30m,侧边界离基坑边缘80m支护结构由支护桩和锚索两部分组成，支护结构模型根据刚度等效设定。计算步骤如下：(1) 计算等刚度壁式地下墙折算厚度。(2) 按厚度为的壁式地下墙，计算出每延米墙之内力以及位移。(3) 换算得相应单桩的内力及位移。3.2 边界条件采用有限元方法计算时，边界条件分为应力及位移两种边界条

5、件，应力边界条件即施加外载荷,位移边界条件即施加边界约束。(1) 施加载荷。由基坑周围的环境条件，附加荷载取105kPa,其余取10kPa。周边道路支路按5kN/m2取值；主干路按10kN/m2取值。(2) 施加约束。在水平方向上，X,Y向的边界上分别关闭X-Translation和丫-Translation自由度，以模拟远离基坑的土体边界没有位移，垂直方向上，模型下表面边界关闭Z-Translation自由度，以模拟远离坑底的深层土体没有竖直方向的位移。3.3 材料参数的选取材料参数采用勘察报告中提供的数据为基础，输入模型中并参与多次反运算，以理论和施工实践合理范围为标准进行确定(表2)o3

6、.4 开挖动态模拟根据ADINA单元生死功能模拟基坑开挖，可以直观观察及分析支护结构的变形动态，通过此项功能可以对分层岩土体不同开挖方式进行分析比较，以确定影响支护结构变形显著性较大的基础参数。3.5 后处理分析3.5.1 模拟与实测变形对比此基坑工程根据相关规范要求进行变形监测，本文通过将模拟结果数据与监测结果对比以验证基础参数设定的合理性，通过图中曲线可知，变形变化规律及数量级较符合实际。如图1、图2、图3。实际施工分为四层开挖，所以在模型中设置待挖土体的开挖步骤为四步，每步开挖定义的时刻对应实际工程开挖的日期。3.5.2 空间效应影响分析如今采用有限元法设计分析基坑多按照平面应变问题处理

7、，深基坑开挖中大量的实测资料表明,基坑周边向基坑内发生的水平位移是两边小中间大。深基坑边坡失稳常常以长边的居中位置发生，这说明深基坑开挖则是一个空间问题。对一些细长条基坑来讲，这种平面应变假设比较符合实际，而对近似方形或长方形深基坑则差别比较大，见图5。本文采用三维有限元模型模拟基坑变形，提取东侧和北侧边界的变形数据，分别比较基坑边界中点，3/8点,1/4点处支护结构随深度变化的位移，考察基坑变形的空间效应，见图6,图7。从两侧边界去护的变形曲张可以看岀，以基坑中点处的结构变形为最大，然后逐步缩小，从中可以观察岀基坑的空间效应来。结语随着经济的快速发展,城市的建筑也进入了施工的高峰期,所以在这

8、些密集型的建筑旁开挖深基坑是一项难度很大的工程,随着信息化技术的应用,人们把信息化设计和动态设计引入了深基坑设计当中,结合相应的设计标准、计算图式、计算方法等取得了显著的成果。本文采用通用有限元程序ADINA对某基坑进行模拟计算，得岀以下结论：模拟计算采用的材料参数至关重要,它的选取得当与否对模拟结果影响较大,甚至是较大数量级误差,是模拟合理性的关键;在参数选取合理的前提下,可以通过模拟分析来预测基坑变形,这种方式提高了基坑设计、施工决策的效率,也提高了施工现场对问题的把握的侧重点,以保证更高效更科学的完成施工项目。参考文献1 崔宏环,吕李青,王小合.有限元原理在基坑开挖中的应用.河北建筑工程学院学报,2004,22(4)：53-59.2 宋二祥,娄鹏,陆新征,等.某特深基坑支护的非线性三维有限元分析J.岩土力学,2004,25(4)：538-543.3 张尚根,华瑞平,刘新宇,等.基坑支护结构内力及变形动态分析J.工程勘察,2000(2)：44-46.4 张崇文,何广民,王牲.三维空间桩与土作用的有限层