第12 0 5卷箜2翅 1 7年4月 Joumal of Water水利与建筑工程学报 Resources and AI℃l1ibec Entfneerin ̄ V01.15 No.2 Apr.,201 7 DOI:10.3969/j.issn.1672—1144.2017.02.031 ABAQUS在深基坑设计及施工中的应用 付培帅 ,王曙光 ,唐小微2,刘 强 (1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司,陕西西安710075; 2.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连610024) 摘要:以大连地铁某车站基坑开挖为研究背景,综合考虑深基坑降水、开挖、内支撑架设及预加轴力 等施工过程,以大型有限元软件ABAQUS为平台,采用相应的数值模拟技术对支护桩系统简化,对施工 过程进行合理模拟,建立能够反应实际开挖施工的有限元模型,对各个施工过程进行计算;将有限元计 算值与实际开挖过程中的监测值比较分析,验证模拟方法的正确性,得到支护系统的变形及内力随开挖 过程变化的规律:支护桩最大水平位移随开挖深度的加深向下移动呈凸形,内支撑轴力在架设后一层时 发挥作用最大。研究得到了基坑的数值计算方法的建模思路,可为类似基坑工程提供参考。 关键词:深基坑;开挖;数值模拟;有限元分析 中图分类号:TU431 文献标识码:A 文章编号:1672—1144(20l7)02—0161—05 Appfication of ABAQUS in Deep Foundation Design and Construction FU Peishuai ,WANG Shuguang ,TANG Xiaowei2,LIU Qiang (1.Shaa ̄i Provincial land Engineering Construction Group,Xi’帆,Shaanxi 710075,Ch/na; 2.State Key laboratory ofCoastal and Ofshore Engienerign,Da!ian University ofTechnology,Dalian,Liaonign 610024,Ch/na) Abstract:Taking the foundation pit excavation of a subway station in Dalian as an example,ABAQUS Was adopted to simulate the de印foundation pit construction process wiht comprehensive consideration of precipitation,excavation,sup— porting construction and additive axial force.By selecting reasonable mechanical parameters of the soil,a comparative analysis model with the actual excavation process Was developed.The calculatde values were compared with monitored ones in the excavation process to verify the correctness of simulation method.The maximunl horizontal displacement of supporting pile is moved downward iwth the depth of excavation,and hte axila force of internal support plays an important role in the construction of the later layer of the support pile. Keywords:deep foundalion;excavation;numerical simulation;finite element analysis 社会的发展推动着城市建设进程快速进展,高 1—3栋基坑工程坍塌_3。也有许多设计人员在进 3_层建筑与城市轨道的兴建,促使近年来基坑工程的 行基坑设计时,盲目进行保守设计,随意增加安全系 规模与深度逐渐增大,所处环境愈加复杂,然而由于 数,提高安全冗余度,造成成本的提高及不必要的浪 岩土体物理力学性质较复杂,且区域性质很强,目前 费。20世纪9o年代至今,借助计算机计算能力的 基坑支护工程设计的理论依据也不十分精确和严 提升,有限元程序计算逐渐应用到基坑设计计算中, 谨。甚至某些工程施工时盲目开挖,存在诸如施工 1993年,通过有限元软件,Whittle A J等_4J对位于美 管理规范问题,导致了很多重大工程事故,如2005 国东北部地下停车场的开挖支护施工进行模拟,通 年7月21日的珠海城广场基坑坍塌l_1 ;2008年11 过检测数据表明有限元软件对地表沉降、坑周土体 月15日,正在施工的杭州某地铁站深基坑发生现场 变形和地下水动态能够合理较为准确预测。宋二祥 坍塌事故,造成45人伤亡,直接经济损失高达5000 等_5编制基于强度折减法的三维有限元计算程序,5_ 万元 2;2014年11月12日,南海盐步新怡智逸大厦 对基坑开挖过程土钉支护施工进行模拟并结合相应 收稿日期:2016.12.11 修稿日期:2017.01.10 作者简介:付培帅(1988一),男,河南浚县人,硕士,主要从事基坑开挖及地下结构抗震工作。E-mail:Npei ̄um5@163.corn l62 水利 _j^建筑I 程学报 第15卷 工程验订E程序的可靠性。向先超等6将支护桩桩问 回填土 h 一 土作为颗粒体,采用PFC 。软件对基坑 挖过程桩 的水平变形过程进行模拟,得到桩问土拱的形成原 因,并对支护桩桩距、截面、桩土的变形速度等对 坑土拱效应影Ⅱ向及对基坑的破坏进行了研究。朱合 l糟矮懿主 般霸漱盎 ~、~垒斑{ 鹱器 中风化摄密 华等, 以上海某大型深基坑 1 程开挖施工为研究背 景,对摹坑过程开挖动态信息,结合反分析法,确保 了基坑开挖过程中的稳定性,保证了基坑安全。 浩然等一 一采用土体硬化模 对I 海某深基坑进行三 维有限元分析,分析了荜坑开挖和支护结构变形和 对周边建筑物的影响。郑刚 认为 采用数值分 析方法确定支护水平位移的最大允许贫及预警值, 而不宜简单按照规范规定值确定变形允许值。吴其 刚等 m]以深圳某深大基坑工程施_I 为研究背景,建 模并分析新建基坑与临近基坑变形规律,得到相应 关系。汤彬彬等E¨j利厢ABAQUS有限元软件对南 京某大型深基坑工程开挖过程模拟分析,认为T形 组合地下连续墙增加整体抗弯能力。贾金青等【 利用有限元软件建立考虑支护结构与土体共同作用 的无根护壁桩三维有限元模型,认为推广无根桩支 护在岩质深基坑中的应用将具有积极意义。周 晋 运用有限元分析软件PIAXIS,分析上海某医 院基坑开挖对邻近建筑物及地下污水池的影响,认 为基坑开挖使土体应力重分布,产生水平和 直位 移。朱延鹏等[14_依托采用FLAC 软件对兰州某地 铁基坑施工过程进行三维数值模拟分析,总结了支 护桩变形规律并提【qJ了降水措施。 本文基于大型有限元ABAQUS以大连地铁某深 基坑排桩结构支护设计及施工过程为研究背景,采 用了规范设计、基坑开挖现场检测和数值模拟相结 合的手段,按实际地层分布,采用相应模拟方法,建 立了汁算模拟,分析研究了深基坑工程排桩一内支 撑支护体系下深基坑开挖施工时的变形规律。 1工程概况 该丁程为大连地铁二号线某地铁站的深基坑上 程,基坑开挖范围内,根据岩土的时代成I=J=J及其工程 特征,可分为4个主层9个 层,上覆第网系人工堆 积层(Q4… )、全新统海积层(Q4 )、上更新统坡洪积 层(Q ・“)、下伏震旦系长岭子组板岩(Zwh )。在数 值计算中土层分布见图1。 图1 数值计算模型土层示意图 坑Jr挖深度16.8 n1,基坑J 挖宽度l8.8 111。 基坑安全等级为一级,最大水平化移允许值控制剑 0.15%H。 车站基坑 护结构见 2,主体 I 采川f,WL 灌渖排桩加网喷作为支护结构 排桃采川 为 1 200眦n的全食管咬合桃,兼做止水帷幕,标准段 一序桩 二序桩交错布嚣,咬合厚度250 IllIll,桩Ifll 心距950 mm,其ffI一序桩为素混凝土,二序桃1人J 置圆形钢筋笼 护桩桩长以36 1TI为主,桃的实际 长度根据实际地质情况进行调謦,需满足进入粉质 黏土大于4 131或强风化岩2 n 或If1 Jxl化0.5 ITI。 坑主体没4道支撑,第一道支撑为混凝土支撑,I'q ̄l 8 m,第二、第三、第四道支撑均为钢支撑,支撑水平 间距为2 m。钢支撑采用 径609 131m、嚷 16 nlnl 的钢管,钢【书J懔采用双拼150e组合腰梁。桩问的支 护采用C25网喷混凝土,钢筋网为d96@200 illnl x 200 nlFtl 图2基坑维护结构图 第2期 付培帅,等:ABAQUS在深基坑设计及施工中的应用 l63 2模型建立与计算 准段的标准地质条件,建立二维计算模型,单元均采 用二维平面四节点减缩积分应变单元,土体本构模 2.1土层参数 型为摩尔库仑模型,参数见表1。 本文选取基坑一标准段进行分析。选取第一标 表1土层物理力学性质参数 2.2模拟方法 算是比较符合实际情况[15]。在基坑开挖过程中,最 2.2.1咬合桩模拟 关心的是支护桩的水平位移而不是竖向的位移,可 根据混凝土设计规范,咬合桩主要承受弯矩,二 认为桩土接触位置不出现滑移,因为若出现较大的 维建模需要将咬合桩等效为宽度为某一定值的矩形 滑移的话,桩周土的性质会发生变化,此时基坑支护 结构支护桩,作为支护体系,咬合桩主要承担基坑周 结构体系出现危险面,故一般认为桩土不会出现大 围土体对其施加的土压力及静水压力,桩身产生的 滑移。 内力为剪力与弯矩。本文主要研究的内容是支护桩 另外基坑开挖与支护的数值模型中还涉及到了 的水平位移,其竖向位移不作为研究重点,所以在二 内支撑与支护桩的接触,在数值模型中不考虑腰梁, 维模型中,若要能够反映这些特征,则必须要保证等 将内支撑与支护桩采用ABAQUS中的PIN连接方式 效前后的抗弯刚度相等。保证抗弯刚度相等的条 连接。 件,则采用公式(1)进行计算: 2.2.4降水、开挖与内支撑架设模拟 E1 Jr1+E212=E313 (1) 不考虑由于渗流造成的基坑失稳,降水对基坑 式中:E1为混凝土C15的弹性模量;E2为混凝土C30 支护体系变形的影响主要体现在基坑内外静水压力 的弹性模量;E3为矩形截面刚度,为未知数;,1为 差的变化,采用激活荷载与杀死荷载的方式进行模 C15混凝土对应截面惯性矩;12为C30混凝土对应截 拟。 面惯性矩;13为等效后的矩形混凝土截面的惯性矩。 开挖采用生死单元进行控制,依照设计与施工 2.2.2 内支撑模拟 情况,对开挖区域单元进行分层开挖。 主体基坑的四道内支撑为拉压构件,故二维等 内支撑架设采用有应变方式进行激活,即内支 效简化时,混凝土的实际截面抗压刚度与等效后截 撑架设时,其长度依据此时的架设位置处支护桩的 面抗压刚度一致,根据式(2)进行等效: 变形而变化。采用升温法模拟内支撑预加轴力,温 E1A1=E2A2 (2) 度的大小可以根据设计轴力进行计算,可按式(3)、 式中:A。为混凝土支撑实际面积;A2为二维等效后 式(4)进行计算: 的面积,可令A1=A2;E1为混凝土支撑的弹性模 F= (3) 量;E 为等效后混凝土支撑的弹性模量。 =EaAt (4) 第二、第三、第四道钢支撑内在支撑后要对称施 式中:F为内支撑预加轴力数值;A为内支撑截面面 加预加轴力,预加轴力分别为300 kN、400 kN、450 积;盯为内支撑轴向应力;a为内支撑钢管的热膨胀 kN,采用降温法计算得出在内支撑施工步骤时各个 系数;At为内支撑预加轴力所对应升温度数。 钢管的温度。这里钢支撑的膨胀系数0取10I5℃, 由于内支撑主要承受轴力,选取为杆单元模拟计算。 3基坑开挖及监测 2.2.3接触模拟 本基坑位于填海区,距近海岸线约260 111,周边 对于基坑开挖过程中桩土的接触采用小滑移计 空旷,采用明挖法施工,分段分层对称平衡,自近海 水利与建筑工程学报 第l5卷 岸位置向陆地方向开挖,分层高度2.5 m,分段长度 监测值显示,支护桩顶向坑外的位移量大于计算值。 约20 m,纵向放坡比例不大于1:3。开挖至支撑下 0.5 m处及时架设支撑,严禁超挖。根据相关基坑 支护设计及监测规范,本工程的基坑工程现场监测 内容如下:(1)桩体水平位移(变形);(2)钢支撑轴 力;(3)桩顶(冠梁)水平位移;(4)支护桩周边土的 土压力。开挖前量测三次,自开挖15 d内,各监测 项目每天量测2次,15 d~30 d内,各监测项目每天 量测1次。如遇雨天、围护结构位移较大或增加较 快、测点监测数据异常变化、基坑附近有突然增大的 异常荷载等情况,应加密监测频率至正常的2倍 3 倍。 4数值计算与监测结果分析 为更好比较数值计算结果与监测结果,采用施 工步代替计算分析步及对应施工过程时的监测结 果: 施工步1:开挖至第一道撑处; 施工步2:施做钢筋混凝土撑; 施工步3:降水至开挖二道撑下1 m处; 施工步4:开挖深度至二道撑下0.5 m; 施工步5:架设二道撑,并施加预加轴力100 kN; 施工步6:降水至三道撑1 m处; 施工步7:开挖深度至三道撑下0.5 m处; 施工步8:架设三道撑,并施加预加轴力400 kN; 施工步9:降水至四道撑下1 m处; 施工步10:开挖深度至四道撑下0.5处; 施工步11:架设第四道支撑,并施加预加轴力 450 kN; 施工步12:降水至坑底下1 m处; 施工步13:开挖深度至坑底。 4.1支护桩水平位移分析 将支护桩在不同开挖面时水平位移的计算值输 出,见图3;整理实际监测值并输出,使之与输出的 计算值时刻对应,计算值见图4,通过对开挖过程中 支护桩的监测值与计算值比较可得: (1)对于支护桩桩顶水平位移:开挖至钢筋混 凝土撑下后,未施工钢筋混凝土撑,支护桩顶端向坑 内有少量位移,计算值为2.04 mill,实际监测位移 1.74 mill。随着开挖深度增大和内支撑架设,桩顶 向基坑外移动,在开挖到第三道支撑附近时,支护桩 桩顶位于基坑外,此时第一道支撑承受拉力。此外, 图3支护桩水平位移计算值 图4支护桩水平位移监测值 (2)对于开挖过程桩体位移变化:计算值与监 测值都表明,支护桩的最大位移随开挖深度的增加 而增大,位移最大值基本接近,最大位移位置处随着 开挖深度增加向下移动,且位于开挖面以下。桩体 向坑内的位移形状呈现大肚子的“凸”形状。 计算值与监测值不同的是,监测值最大位移位 置随开挖深度的增大变化明显,且基本处于开挖面 处,而计算的最大位移位置变化不明显。 (3)对于桩体水平位移曲线:计算值较为平滑, 变形分布均匀,利于支护桩抵抗较大弯矩;监测值显 示支护桩变形曲线不平滑,在某些部位曲率过大,后 经计算分析,该工程咬合桩不足以抵抗监测水平位 移曲线产生的弯矩,故认为监测值存在误差,尤其是 水平位移曲线曲率过大位置处。实际桩身水平位移 曲线应平滑,监测显示支护桩水平位移曲线不平滑 的主要原因有两方面:一方面,该区域为回填土,现 场勘察,填土内分布有大块孤石,填土不均匀;另一 方面是监测过程产生的误差。 第2期 付培帅,等:ABAQUS在深基坑设计及施工中的应用 O ∞ 0 舯 O ∞ 0 ∞ 0 加 4.2内支撑轴力变化 的,呈“s”形。基坑设计一般采用朗肯土压力理论进 行计算,数值模拟得到的桩侧土压力与朗肯土分布 形式不大相同。经比较,朗肯土压力值大于数值计 算值。表明基坑工程设计时采用朗肯土压力理论是 偏于保守的;当开挖相应层底时,支护桩桩侧的土压 力会发生转折,数值减小,这是因为开挖至层底时 候,由于基坑内侧土体被取走,基坑内侧缺少约束, 使得支护桩向坑内侧移动造成的,此结果与基坑开 分别依据开挖、降水、支撑施工步骤将各个过程 的计算值与监测输出,第一道支撑是混凝土支撑,无 监测值,见图5,横坐标为施工步,开挖过程中的监 测值见图6,横坐标为施工步。分析图5、图6,可知: Z 琳 ‘R 暴 毂 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1o l1 12 13 l4 基坑开挖、降水、支撑施工步骤 图5内支撑轴力计算值 至 琳 暴 避 图6内支撑轴力监测值 (1)内支撑轴力变化趋势:模拟计算值与监测 值均表明,各道内支撑架设后,轴力基本上先增大后 减小;在内支撑架设后的下一步开挖结束时,轴力最 大。可认为内支撑在下一道支撑架设前发挥作用最 大,轴力最大,之后轴力逐渐减小。第一道支撑在第 三次开挖后轴力降至0,在后续的开挖时承受拉力。 (2)内支撑轴力监测值与计算值比较:监测数 值的结果与数值模型计算结果相近。第二道支撑的 监测值略大于模拟计算值;第三道支撑与第四道支 撑的监测数值略小于模拟计算值。监测值与模拟计 算值结果相差很小,所以可认为模拟值与实测数值 基本一致。 4.3桩侧土压力计算值 将开挖过程中的桩侧坑外土压力输出见图7, 得到如下结论:沿支护桩坑壁外侧土压力大小与分 布是随着基坑的开挖、支撑、降水等施工步而变化 挖过程及支护桩的变形也是相适应的。 图7支护桩外侧土压力计算值 5结论 本文以大连地铁某深基坑工程为背景,以有限 元软件ABAQUS为计算模拟平台,阐述了基坑开挖、 降水、内支撑架设等施工各施工步骤的模拟方法。 对该深基坑工程进行模拟,将模拟计算值与施工监 测值对比分析,得到了以下结论: (1)ABAQUS有限元软件可实现基坑的开挖、降 水、内支撑架设等复杂的施工过程,并得到验证; (2)随着开挖深度增大,支护桩最大水平位移 增大,最大位移位置处向下移动,位于开挖面以下。 桩体向坑内的位移形状呈现大肚子的“凸”形。 (3)各道支撑架设后,支撑轴力基本上先增大 在减小;在内支撑架设后的下一步开挖结束时,轴力 最大。 (4)支护桩沿坑壁外侧的土压力的大小与分布 是随着基坑的开挖、支撑假设、降水等施工而变化 的,且呈近似“S”形。 综上,采用ABAQUS相应的模拟方法可应用于 基坑设计,或在基坑设计过程中能够采用数值方法 进行验算,也可供施工实施参考。 (下转第182页) 182 水利与建筑工程学报 版社,1985. 第15卷 解除全桥支座上、下钢板临时焊接钢筋。 3结论 中华人民共和国交通部工程管理司.公路桥涵设计通 用规范:JTJ021—89[S].北京:人民交通出版社,1989. (1)针对山区高速公路,在设计阶段需多方位 思考,需考虑施工时存在的误差,特别是针对极端天 气频发地区的桥梁,必要时需要进行空间分析。 (2)通过对将固定支座改为墩梁固接后结构的 中华人民共和国交通部.公路工程技术标准:JTG B01 —2003[s]. E京:人民交通出版社,2003. 中华人民共和国交通部.公路桥涵设计通用规范:JTG D60—2004[S].北京:人民交通出版社,2004. 中华人民共和国交通部.公路钢筋混凝土及预应力混 受力分析结果表明,该方法对为彻底解决梁体存在 纵向滑移意义不大。 (3)施工的不规范是导致该桥梁体滑移的主要 原因,后期桥梁建设过程中需要加大对施工质量的 监管。 凝土桥涵设计规范:JTG D62—2004[s].北京:人民交 通出版社,2004. 邵荣光,夏淦.混凝土弯梁桥[M].北京:人民交通出 版社,1994. [10] 范立础.桥梁工程(上册)[M].北京:人民交通出版社, 2003. (4)桥梁运营养护过程中应该建立伸缩缝宽度 张树仁,郑绍硅,黄出版,2004. 侨,等.钢筋混凝土及预应力混 变化信息,在最高温和最低温时对伸缩缝宽度变化 进行测量,以便掌握桥梁的位移情况。 参考文献: [1] 中华人民共和国交通部.公路桥涵养护规范:JTG H11 —凝土桥梁结构设计原理[M].北京:人民交通出版社 [12] 北京迈达斯技术有限公司.Midas Civil 2010分析设计 原理[M].北京:北京迈达斯技术有限公司. [13] 中交公路规划设计院.公路桥梁盆式支座:JT/T 391— 2009[S].北京:人民交通出版社,2009. [14] 唐先习,周勇超,尹月酉.基于不同横断面形式的桥梁 2004[s].北京:人民交通出版社,2004. [2]邵旭东,程翔云,李立峰,等.桥梁设计与计算[M].北 京:人民交通出版社,2007. 墩台受力性能数值分析[J].水利与建筑工程学报, 2015,13(4):12.17. [3] 中交公路规划设计院.公路桥梁伸缩装置: /T 327— 2004[S].北京:人民交通出版社,2004. 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