深基坑支护结构三维有限元分析

深基坑支护结构三维有限元分析

1深基坑支护结构内力与变形时空效应研究深孔本身是一座细长、宽、深的三维结构。此外，软土区基本土的流变性对支撑结构的内外结构的力学和变形具有明显的时空效应。实践证明,科学地制定可综合考虑时空效应影响的开挖、支撑设计施工方案,并能合理地利用土体自身在开挖过程中控制位移的能力,由此达到控制坑周地层位移和保护环境的目的,以代替采用昂贵地基加固措施的做法,是安全经济地使基坑在开挖过程保持稳定的有效途径。对于深基坑支护的空间效应和时间效应的研究已分别取得了不少成果,但对于深基坑支护结构内力与变形时空效应综合影响的考虑,目前在理论上还尚无成熟的方法。作者曾采用Mindlin厚板理论,建立了可考虑支护结构内力与变形时空效应的三维有限元分析方法,并编制了相应的程序。本文将采用此模型,并以上海某深基坑为工程原型,分析各因素对支护结构内力和变形时空效应的影响,由此探索其规律性,为深基坑支护及开挖设计提供参考。2时空效应分析的基本原理和方法2.1围护墙体的弹性分析(1)鉴于基坑开挖过程中,围护墙体主要承受垂直于板面的横向荷载,其水平挠度与墙体厚度相比小得多,且墙体变形通常都在弹性范围内工作等特点,故分析中将基坑围护墙体按线弹性材料考虑。由于墙厚与墙体插入深度之比较大,将围护墙体简化为一块有限长、两端及底部有一定边界约束条件的弹性地基上的竖向厚板,采用可考虑横向剪切变形影响的Mindlin线弹性厚板理论对围护墙体的内力和变形进行分析。(2)开挖面以下土体视为厚层均匀各向同性体。(3)支撑结构为具有一定弹性刚度的弹簧。2.2整体模型的建立图1为围护结构计算分析简图,基坑每一侧围护墙体简化为设有横向支撑的软土地基上的竖向板;非开挖侧作用有水土压力和由地面超载产生的侧压力;两侧挡土墙对墙体的约束简化为固定边界;顶部边界为自由边界;底部边界简化为弹性支承边界,插入持力层后处理为固定边界;在开挖侧设置的横撑对墙体的支承作用简化为弹簧;坑底以下被动抗力区的土体以提供地基刚度的形式与板共同作用;由此可以写出结构的整体平衡方程:KU=[KP+KS+KR]R(1)式中,U为墙体位移向量;R为荷载向量,包括作用在墙体上的水土压力、地面超载和邻近基坑的附加支撑力;K为整体刚度矩阵,KP为墙体刚度矩阵,KS为地基刚度矩阵,KR为支撑刚度矩阵。研究表明,围护墙体和周围软土地层的变形随时间发生变化,具有明显的时效性,因此,软土地层中的基坑开挖过程宜采用可考虑时间因素的粘性模型。在应力边界和排水条件保持不变的情况下,地基模型可用线性粘弹性Kelvin?Voigt模型模拟。由此可见,式(1)可模拟在不同的开挖条件下(包括边界约束、开挖深度和开挖宽度),由地基刚度的变化、侧土压力与墙体位移的相互作用而引起的支护墙体内力与变形的空间效应以及由地基流变引起的时间效应。2.3计算程序从结构的整体平衡方程出发,作者用FORTRAN语言编制了计算程序,并验证了程序的正确性。3基坑土壤条件及主要计算参数取值软土地区基坑工程的施工实践和试验研究表明,支护墙体位移和内力的大小与分析截面的位置、分步开挖的深度、基坑开挖的宽度、以及支撑刚度、预加轴力、墙体刚度、入土深度和被动区土体加固措施及各工况延续时间的长短有明显的相关性,由此反映基坑开挖过程的时空效应。本文以上海某深基坑工程一侧的地下连续墙为例进行计算。根据地质勘察报告,该基坑范围内土层从地面往下依次为褐黄色粘质粉土(5.4m);灰色砂质粉土(12.0m);灰色粉土(2.0m);和灰色砂质粘土(6.5m)。基坑开挖分四层进行,围护结构方案采用地下连续墙加三道钢管支撑,第一、第二和第三道支撑的位置分别位于地面以下1.5m、5.5m和8.7m处,设计预加轴力分别为100t、250t和300t。地下连续墙长73.1m,厚0.8m。基坑开挖深度为12.3m,墙体插入土中的深度为10.3m,墙深为22.6m。主要计算参数取值如下:钢筋混凝土地下连续墙弹模Ew=3.0×107kPa,泊松比ν=0.15;支撑钢管弹模Ep=2.1×108kPa;土骨架瞬时剪切模量G=8.6×103kPa,Kelvin?Voigt模型的剪切模量Gk=1.22×103kPa,Kelvin?Voigt模型的剪切粘性系数ηk=3.0×104kPa·d,各开挖步地基发生蠕变变形的时间均取为20d;静止土压力系数K0=0.7,基床系数初值K=1500kN/m3,土体平均重度γ=18.3kN/m3,土体平均内摩擦角φ=15.5°,土体平均内聚力c=9.5kPa;地面超载q=20.0kN/m2。3.1支撑刚度对墙体位移的影响支撑刚度的变化对墙体位移和内力有较大的影响。以上述深基坑工程第四工况结束时的情况为例进行分析,计算时,将实际支撑刚度记为K,分别取为实际支撑刚度的0.01、0.1、1.0、10倍,其它参数保持不变,结果示于表1。表1表明,支撑刚度增大时,墙体最大水平位移将减小。支撑刚度增加10倍时,位移值明显减小,可见通过增加支撑刚度可有效地控制墙体水平位移。由表可见的另一现象是:随着支撑刚度的进一步减小(从0.1K~0.01K),位移增加的幅值将明显降低,可见这时墙体位移将主要由墙体刚度决定,支撑已不起主要作用。同时,随着支撑刚度的减小,墙体最大弯矩Mx、My和扭矩Mxy均趋减小,有利于墙体结构的安全使用。但当支撑刚度进一步减小(从0.1K~0.01K)时,Mx、My和Mxy减小的幅值则明显降低。此外,支撑刚度增加较大(如10倍)时,内力将明显增大。可见为使墙体的水平位移得到有效控制,又不致使墙体内力明显增大,支撑刚度增加的幅度应予控制。3.2计算结果选取墙体刚度的变化主要取决于厚度。为此将墙体厚度分别取为0.6m、0.8m、1.0m和1.2m进行计算,其它参数保持不变。仍以上述基坑第四工况开挖结束时为例,计算结果列于表2。由表2可以看出,墙体厚度从0.8m增加到1.0m时,墙体水平位移明显减小;而当厚度增加为1.2m时,水平位移减小幅度将降低。可见适当增加墙体厚度,可有效减小墙体水平位移,但当达到某一值时,通过增加墙体厚度减少位移作用不大。与此同时,增加墙体厚度将会增加工程造价,故在墙体强度符合要求的情况下,试图主要借助增加厚度减小位移的做法并不合理。同时,墙体厚度增大时,最大竖向弯矩Mx、横向弯矩My和扭矩Mxy均将增大。3.3预加轴力的计算通过对支撑施加预加轴力控制墙体位移是工程施工常用的措施。在上述工程实例中,三道支撑的设计预加轴力分别为100t、250t、300t,分析研究中分别将其取为0.1倍、1倍、1.2倍的设计预加轴力值后进行了计算,第四工况结束时的计算结果见表3。表3表明,增加支撑预加轴力可有效地减小墙体的水平位移,而墙体内力却增加很少。实际工程中,预加轴力常取为设计轴力的70%~80%。深开挖工程或变位比较大时,可达设计轴力的90%,或以上。3.4土体弹性模量分析理论分析和实验结果表明,通过加固坑内土体提高被动土抗力,以使基坑保持稳定常很有效。本节将工程实例中实际地基土的平均弹性模量ES=11.6MPa取为基准,对被动区土体平均弹性模量为1.0ES、20.0ES、50.0ES的情况分别进行了计算,以分析基底土的加固效果。第一工况结束时的计算结果见表4。由表4可知,被动区土体弹性模量提高到原值的20倍时,墙体水平位移将减少36%,可见被动区土体加固对减少墙体水平位移的作用非常显著。同时,随着被动区土体弹性模量的提高,墙体内力也均减小,可见这类措施对提高支护墙体的稳定性十分有利。3.5墙体弯矩的影响基坑底面以下地下墙墙体的垂直长度称为入土深度。其值大小通常直接影响基坑的稳定性。为了分析墙体入土深度对墙体弯矩Mx、My和扭矩Mxy的影响,将入土深度取为原值的0.7、1.0、1.5倍进行分析,其它参数不变。第四工况结束时的计算结果见表5。由表5可以看出,增加入土深度可有效地减小墙体的水平位移。同时,随着入土深度的增加,墙体正向弯矩Mx、My和扭矩Mxy将减小,反向弯矩和扭矩则略有增加,有利于墙体保持稳定。3.6剖面位置为中部大、前端小在相邻墙体和坑底土体约束下,墙体水平位移沿走向中部大,两端小;在剖面上则为中部大,上、下端小(无支撑时为上端大、下端小)如图2~图4所示(第四工况结束时)。由图3和图4可以看出,墙体水平位移等值线图近似为“船形”,最大位移值出现在基坑开挖面附近。3.7墙体水平位移随埋深的变化开挖过程中,墙体位移和内力均随挖深增加而变化(表6、图5~图8)。由图5~图8(墙体中部)可以看出,开挖过程中墙体水平位移随挖深增大而增大,但由于第二、第三道支撑预加轴力分别为第一道支撑预加轴力的2.5倍和3倍,故从第一工况到第三工况,墙体水平位移增幅逐步减小。墙体正向、反向弯矩和扭矩的变化规律和位移变化规律相类似,但反向弯矩和扭矩的绝对值比正向弯矩和扭矩小得多。3.8基坑开挖宽度为分析基坑宽度对墙体位移的影响,将基坑开挖宽度分别取为原值的0.5、1.0、2.0倍进行计算,其它参数保持不变。第四工况结束时计算结果见表7和图9~图12(墙体中部)。表7和图9表明,基坑开挖宽度增大时,墙体水平位移也增大,反之则减小。可见在实际工程中,应注意不使基坑开挖宽度过大。表7和图10~图12表明(第四工况结束时),基坑开挖宽度增加时,墙体的最大弯矩和扭矩均将增加,其中最大竖向弯矩增加尤为显著。因而在实际工程中,为从受力安全角度保持墙体的稳定性出发,也不应使基坑开挖宽度过大。3.9开挖步基承载力验算为对基坑支护进行流变时效分析,对上述基坑在第二~第四工况下的墙体位移和内力随时间而变化的规律分别进行了计算。计算中取用的地基参数为:土骨架瞬时剪切模量G=8.6×103kPa,Kelvin?Voigt模型的剪切模量Gk=1.22×103kPa,Kelvin?Voigt模型的剪切粘性系数ηk=3.0×104kPa·d,各开挖步地基发生蠕变变形的时间均为20d,其余参数保持不变。计算结果见表8。表8表明:1)在每一开挖步内,墙体位移和内力均随时间发展而增大;2)从上一开挖步的结束过渡到下一开挖步的开始,墙体的位移和横向弯矩由于下一道新的支撑的施加而略有减少,而竖向弯矩和扭矩则略有增加。故对于软土地层中的基坑,开挖支撑工序宜快不宜慢。同时,各工况下实测最大水平位移值均落在计算所得到的二个最大值之间,表明按本文模型所获计算值较为准确,至于计算所获得的各工况结束时的位移值均大于实测值较多,笔者认为与地基模型参数值的选取有关。4墙体厚度和厚度对支护的影响本文对影响深基坑支护结构内力与变形时空效应的因素如分步开挖深度、基坑开挖宽度、边界约束条件、地基流变等逐一进行了分析。获得的主要结论有:1)支撑刚度增大时,墙体最大水平位移将减小,而墙体的最大纵向弯矩Mx、横向弯矩My和扭矩Mxy则增加。可见为使墙体的水平位移得到有效控制,又不致使墙体的内力明显增大,支撑刚度增加的幅度应予控制。2)在一定的范围内适当增加挡墙厚度,可有效减小墙体水平位移,但当达到某一值时,通过增加墙体厚度减少位移作用不大。与此同时,增加墙体厚度将会增加工程造价,故在墙体强度符合要求的情况下,试图主要借助增加厚度来减小位移的做法并不合理。3)增加支撑的预加轴力,可有效地减小墙体的水平位移,而墙体的内力增加很少,但第一道支撑的预加轴力要适当,否则会引起墙体外倾。4)坑内土体的弹性模量提高到原来的20倍时,墙体的水平位移与原来相比,减少了36%,说明被动区土体加固对减少墙体水平位移的作用非常显著。另一方面,随着土体弹性模量的提高,墙体的内力均减小,可见这类措施对提高支护墙体的稳定性十分有利。5)增加墙体的入土深度可有效地减少墙体的水平位移,同时墙体的正向弯矩Mx、My和正向扭矩Mxy将减小,反向弯矩和扭矩则略有增加,有利于墙体保持稳定。6)沿墙体水平方向的横向弯矩My很小,而沿墙体深度方向的竖向弯矩Mx很大,且都是正