基于有限元模拟下拉锚式支护结构分析

崔 浩 张忠强 路 阔

(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071000)



基于有限元模拟下拉锚式支护结构分析

崔 浩 张忠强 路 阔

(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071000)

以河北西南地区某实际工程为背景，利用岩土工程软件PLAXIS，对拉锚式支护结构进行研究分析，并对降水分步开挖过程作了数值模拟计算，得出了支护结构刚度对支护结构水平位移的变化影响规律。

拉锚式支护，水平位移，有限元分析，刚度

0 引言

基坑支护常常以临时性支护最为常见，但是它应该具有以下要点：

1)保证支护结构本身的安全；

2)保证周围建筑物的安全和正常使用。

随着基坑规模的增大,相比于排桩支护、钢板桩支护等其他支护结构，拉锚式支护结构在基坑工程设计中经济、改善施工条件、加快施工进度[1]的优越性也显现出来。凡事都有两面性，随着经济建设的硬性要求，越来越多的大型工程走进了人们的视野，基坑支护工程作为工程进展的第一步也显得极为重要，但是近年来深基坑支护工程事故也在随之发生，以支护结构水平位移过大的工程问题最为突出。20世纪90年代,东南沿海开放城市，随着经济的快速腾飞，高楼林立必然要求基坑的安全性能，由于基坑支护选择的不恰当以及施工过程的共同作用，为一些较大的基坑工程事故埋下了隐患[2]。

目前,人们更加意识到基坑支护的必要性，因此这一状况有所改善。同时随着岩土软件的开发引入，越来越多的软件被大家熟知，旨在确保工程的安全系数，数值模拟也在逐渐发挥着它重要的指导性作用。

本文是结合某西南地区的实际基坑背景，详细开展基坑工程变形性状研究,对基坑开挖可能造成的影响进行合理预测，预测指导施工，最终实现工程安全、耐久、稳定的初衷，具有有效的指导意义。

1 数值模型的建立

为了简化计算将拉锚支护的地连墙结构简化为平面二维应变题[3]。

计算模型及计算域网格单元划分如图1所示。

2 开挖过程模拟

工程实例计算模拟。基坑宽度30 m,开挖深度12 m,用25 m深的混凝土地下连续墙，在此，假设连续墙为弹性体并且其由两排锚杆支撑。其中上端锚杆长12.8 m,倾斜度为49°;下端锚杆长16.3 m,倾斜度为 50°。施加于开挖区左侧有两个均布荷载5 kN/m2，40 kN/m2，距基坑边6 m，右侧的地面荷载为10 kN/m2;地下水位高程为-3 m。地层分布为:地面以下3 m为①密砂填充层;-3 m～-15 m为②-3均匀粉质粘土层;-15 m ～-30m为③砂泥层;-30 m以下为④均匀粉质粘土，它延伸至很深的深度。各土层计算参数及地下连续墙的计算参数,锚杆计算参数根据实验室土工实验获取。

针对施工方案设计,可分为 6 道工序进行计算，根据工序的先后顺序逐步的了解本基坑支护的一个变化过程，具体而且清晰。

具体实施步骤为：地下连续墙激活地面荷载→开挖至上部3 m→安装第一层锚杆施加预应力→开挖至地下3 m降水并计算孔隙水压力→安装第二层锚杆施加预应力→开挖至地下5 m降水并开挖至地下12 m。

图2，图3为第一～六道工序地连墙水平位移图。

各道工序墙体沿深度方向的水平位移见表1及图4，地连墙位移变形成弓形分布图见图5。

表1 各道工序墙体沿深度方向的水平位移表

3 支护结构墙体刚度的影响因素分析

地连墙墙体的刚度和墙体的水平位移相关，如下式：

其中，d为地连墙的等效厚度。

可以看出支护结构的刚度由弹性模量和尺寸决定，也就是说地连墙的厚度随着刚度的增大而增大。根据图6的分析可知，在分析水平位移的过程中考虑的主要因素就是支护结构厚度

的变化。

在此案例中进行支护结构厚度分别为0.3m,0.4m,0.6m。从整体模拟分析上看,d值越大,分布曲线呈现前倾状态，张开角度越来越小，但是随着墙厚度进一步增大时,墙体位移变化趋势加大,随着墙体的厚度逐渐增加，支护结构的水平位移变化迟缓，这说明在实际工程中地下连续墙取值太小，达不到加固效果，如果取值太大，导致工程浪费，不经济[6]。

图6为墙体厚度对墙体水平位移影响的折线图。

4 数值模拟结论

1)通过比较模型数据可以得知，有效的安装锚杆对支护结构最大位移的影响比较显著，不能及时有效的安装锚杆，锚杆也就不能有效的使用，也就达不到阻止支护结构产生水平位移的效果。

2)根据模型数据分析，合理增大墙体的刚度,等效于增大墙本身的厚度，结合公式以及模拟结果可知，这种方法可以有效的阻止地连墙产生水平位移,但变化率也存在局限性，变化规律呈现一个逐渐减小的趋势，当支护结构厚度达到一定值时,再增加厚度对工程不经济。同时墙体刚度增加到一定的范围值时,墙体位移曲线由不规则分布逐步转化为大众熟悉的相对均匀的线性分布,可以发现墙体顶部位移出现了一个陡然增大的过程。所以在实际工程中，建议地下连续墙的厚度根据本地土体土质来设计最适合最经济的连续墙的厚度。

3)PLAXIS有限元软件的应用，让工程界还未展现在眼前的构筑物位移变化有了一个相对精确的模拟值，这样一来，无论在施工工艺方面还是在工程造价方面，都会实现一个理念，那就是物有所值，物尽其用。

4)针对本篇论文，结合实例，就拉锚式支护结构提出了一些建议，但是知识的探索是无止境的，必然会有好的优化方案出现，也是大家共同的期盼。

[1] 龚晓南.地基处理技术发展与展望[M].北京:知识产权出版社,2004.

[2] 唐业清,李启明,崔江余.基坑工程事故分析与处理[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

[3] 荷兰PLAXIS公司.PLAXIS版本8参考指南[Z].2006:8-44.

[4] 倪红梅.数值模拟锚杆参数对支护结构水平位移的影响[J].煤炭工程,2007(2):88-90.

[5] 贾金青,郑卫锋,陈国周.预应力柔性支护技术的数值分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3978-3982.

[6] 蔡伟铭.解放日报大楼深基坑围护结构的设计与计算[J].建筑科学,1993(1)：76.

Finite element simulation and analysis of tension anchor supporting structure

Cui Hao Zhang Zhongqiang Lu Kuo

(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071000,China)

Taking actual engineering of southwest region in Hebei province as the background, the paper studies and analyzes the anchor-tensioning support structure by applying geotechnical engineering software PLAXIS, makes numerical simulation calculation for the step-by-step dewatering excavation, and finds out influencing law of support structure rigidity upon horizontal support structure displacement.

anchor-tensioning support, horizontal displacement, finite element analysis, rigidity

1009-6825(2016)28-0078-02

2016-07-23

崔 浩(1992- )，男，在读硕士； 张忠强(1989- )，男，在读硕士； 路 阔(1993- )，男，在读硕士

TU463

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