桩围复合式地下仓施工过程模拟

郭明利孙树杰许启铿丁永刚

（1.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，河南郑州 450044；2.中建（郑州）城市开发建设有限公司，河南郑州 450021；3.河南工业大学土木建筑学院，河南郑州 450001）

桩围复合式地下仓施工过程模拟

郭明利1孙树杰2许启铿3丁永刚3

（1.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，河南郑州 450044；2.中建（郑州）城市开发建设有限公司，河南郑州 450021；3.河南工业大学土木建筑学院，河南郑州 450001）

针对初步设计后的桩围复合式地下仓结构，本文在ABAQUS中进行二次开发实现了空间m法，建立了支护桩与腰梁共同作用的三维计算模型，得到了基坑开挖过程中支护桩、腰梁及内衬钢板的内力和变形，以及土弹簧的变形，校核了支护桩的强度和刚度，对结构设计提出改进措施，对设计方案起到有力的支持和补充作用。

桩围复合式地下仓；支护结构；三维m法；施工过程模拟

地下仓由于建造在常年温度20℃以下的浅层地表下，在储粮品质方面具有地上粮仓无可比拟的优势，将是大力推广的仓型。

支护结构的强度和变形计算是深基坑工程设计中的关键技术。沈健，王建华等在平面弹性地基梁法的基础上发展了支护结构的三维计算方法［1］。王建华、范巍等进一步完善了空间m法，并分析了多个支护形式为地下连续墙的深基坑工程［2］。桩围复合式地下仓是一种新型地下结构［3］，结构布置图如图1所示，本文在ABAQUS中进行二次开发实现了空间m法，对该结构进行施工过程模拟，得到开挖过程中结构各部位的内力和变形，加强设计中的薄弱部位，确保新型结构的安全。

1 工程概况

该地下仓计划建造在河南金地集团粮食物流园区，根据勘察报告，土层参数如表1所示，按水位1.0m设计。该地下仓结构安全等级一级，防水等级一级。整个基坑支护选用灌注桩与水平环向布置的腰梁组成的支护结构，坑内、外同时降水。灌注桩和水平腰梁组成的支护结构充当了基坑开挖时支护，及地下仓的外围护主体结构，实现支护结构和主体结构的全面结合，具有明显的经济优势。

图1 桩围复合式地下仓平面图

表1 土体物理力学指标

2 空间m法关键步骤

2.1 参数取值

2.1.1 土弹簧刚度系数的计算

基坑开挖面以下，土弹簧单元的水平向刚度可按下式计算［4］：

2.1.2 比例系数m的计算

m值的确定按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012中式（4.1.6）

2.2 水土压力计算

按《规程》规定，支护结构外荷载在开挖面以上为采用三角形分布的朗肯主动土压力，开挖面以下为矩形分布的附加压力。

2.3 施工工况的受力分析

本工程竖向设置五道腰梁，遵循先开挖后支撑的原则，各工况如下：

2.3.1 开挖至第一道腰梁底标高，计算此时结构的内力和侧移；

2.3.2 浇筑第一道腰梁，待混凝土具有一定强度后，开挖至第二道腰梁底标高，核算水土压力，对结构的内力和侧移进行分析；

2.3.3 依次浇筑第二—五道腰梁，开挖并分析该工况的内力和侧移。

2.4 操作流程

2.4.1 按结构设计方案建立三维计算模型，桩、冠梁、腰梁采用三维梁单元模拟，坑内土体采用土弹簧单元模拟，坑外土体以荷载形式施加于桩上。

2.4.2 使用ABAQUS中的Mode l Change r emoveadd功能模拟施工工况，并根据工况更新土弹簧刚度和坑外荷载。

3 有限元计算模型

按上面的支护结构设计方案建立三维有限元模型。对采用灌注桩的支护桩、冠梁、腰梁用B31单元来模拟；坑内土体采用SPRINGA弹簧单元模拟，弹簧一端与支护桩连接，另一端施加固定约束；坑外土体以线荷载形式施加在桩上。冠梁在桩最顶部，支护桩、冠梁采用C30混凝土，材料属性采用线弹性模型，弹性模量30Gpa，泊松比0.2。腰梁采用C40混凝土，弹性模量32.5Gpa，泊松比0.2。

分析步按下列工况进行设置：工况①：开挖至-4.400m并设置腰梁；工况②：开挖至-8.800m并设置腰梁；工况③：开挖至-13.200m并设置腰梁；工况④：开挖至-17.600m并设置腰梁；

当支护结构施工完后，支护结构成为主体结构，外部土压力按静止土压力计算。使用文本式建模，通过inp文件完成不同工况下模型修改。

为了简化分析，采用如下基本假定［5］：

3.1 桩身剖面是理想的圆形，在轴向均布荷载作用下，采用轴对称模型计算；

3.2 桩基周围的土层为成层分布，同一土层沿结构周围为同厚度分布，每层土皆为均质、各向同性体。

4 结果对比及分析

4.1 通过查看各施工工况的支护桩桩身应力变化，发现支护桩受力薄弱部位。图2为支护桩变形最大时结构的变形，最大变形在第五道腰梁和坑底之间，变形量71.79mm，接近于0.22%H（H为基坑深度），与徐中华［6］研究的支护桩变形趋势相吻合，灌注桩的最大变形与基坑深度之间的关系大致呈0.1%H与1%H。

图2 支护桩Mi s e s应力分布图

表2 支护桩的应力、应变及变形

图3 支护桩的侧移

表2统计出各施工工况下支护桩的内力和变形。对比C30混凝土的材料性质，发现最大拉应变很小；而最大压应变从工况一开始就超过了混凝土极限压应变0.0033，即支护桩受压侧首先破坏，应采用更高级别的混凝土或者增大桩身截面；最大拉应力为0.93MPa，接近抗拉强度1.43MPa；最大压应力为0.92MPa，远小于设计抗压强度14.3Mpa。

在ABAQUS的计算结果中提取施工过程中支护桩的变形和弯矩，再用MATLAB对变形和弯矩进行整理，得到支护桩变形、弯矩与基坑深度的趋势图。通过图4可以发现支护桩的最大变形发生在坑底，尚未设置腰梁时。通过图5可以发现支护桩弯矩与基坑深度的变化趋势，浇筑腰梁前，弯矩为同一方向；浇筑腰梁后，由于腰梁给支护桩提供了较强的支撑，桩身出现了较明显的反向弯矩。

图4 支护桩侧移与基坑深度的变化趋势

图5 支护桩弯矩与基坑深度的变化趋势

4.2 图6为第一道腰梁的变形图，揭示了腰梁将各支护桩很好的连接成整体，符合曾庆义［7］等对支护桩与桩顶腰梁关系研究结果。支护桩和腰梁相结合组成的桩围式结构首次运用到圆形地下仓，通过结构在施工过程的内力变化，腰梁承受了较大的水平压力，协调了各支护桩受力。表3列出了施工过程中腰梁的内力和变形，发现最大压应力已超过混凝土的抗压强度，故需要加强腰梁在环向的刚度。

图6 圈梁的变形

表3腰梁的应力、应变及变形

4.3 用TIE命令将内衬钢板和各道腰梁绑定，发现钢板在腰梁处出现了明显的侧移。钢板的最大拉应力得到171.8MPa，接近了Q235的抗拉强度值；而最大压应力从工况四开始就超过Q235的抗压强度，即第三道腰梁与坑底土体之间，随着开挖深度的加大，应采取措施确保钢板的强度和稳定。

5 结论

本文在初步设计的基础上，基于ABAQUS开发了适用于本项目的空间m法，分析发现结构的薄弱部位，比如支护桩受压侧混凝土破坏，需要提高混凝土等级或者加大桩直径；腰梁的最大压应力超出设计抗压强度较多，需要提高混凝土等级或者需加大腰梁截面刚度。对这些部位适当加强，以确保结构的安全。

［1］沈健，王建华，高绍武.MPa基于“m”法的深基坑支护结构三维分析方法［J］.地下空间与工程学报，2005（4）：77-82.

［2］王建华，范巍，王卫东.空间m法在深基坑支护结构分析中的应用［J］，岩土工程学报，2006，28：2034-2038.

［3］王录民，郭明利，丁永刚.MPa桩围复合式地下仓结构分析［J］.河南科学，2013（5）：625-629.

［4］王卫东，王建华.深基坑支护结构与主体结构相结合的设计、分析与实例［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007：230-238.

［5］郭明利.MPa地下仓桩围复合式仓体的结构分析及比较［D］.开封：河南工业大学，2013.

［6］王建华；徐中华；王卫东，“支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形特性分析，”岩土工程学报，2007，29：1989-1903.

［7］刘明成，曾庆义.支护桩圈梁的共同作用机理与计算分析［J］.岩土力学，1995，16.

［8］JGJ 120-2012.建筑基坑支护技术规程［S］.中国建筑工业出版社.

Simulation of Construction Processof the Com posite Underground Bunker in Piles

Guo Mingli1Sun Shujie2Xu Qikeng3Ding Yonggang3
(1.Henan Urban and RuralPlanning Design&Research Institute Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450044；2.Zhongjian(Zhengzhou)City Development and Construction Co.，Ltd.，Zhengzhou Henan 450021；3.SchoolofCivilEngineering and Architecture Henan Universityof Technology Zhengzhou，Henan 450001)

According to the preliminary design of the composite underground bunkers structure around with piles，this paper conducted a secondary development in ABAQUS to realize the space m method,and established a three-dimensional numerical model with the interaction of piles supporting and waist beams，the internal force and deformation of the supporting pile，the beam waist and the lining plate in the process of the foundation pit excavation，and deformation of the soil spring were obtained,the supporting pile strength and stiffness were checked，the improvement measures to the structure design were put forward，providing strong support and complementary role to the design scheme.

the composite underground bunker around with piles，supporting structure，3D m method，construction process simulation

TU249.2

：A

：1003-5168（2015）03-0088-4

2015-2-25

国家“十二五”粮食公益性行业科研专项经费项目（201413007）。

郭明利（1988.2-），男，硕士，二级注册结构工程师，研究方向：储仓结构研究及设计。