基于弹性地基有限元法深基坑支护结构变形影响因素分析.doc

基于弹性地基有限元法深基坑支护结构变形影响因素分析 　　摘 要：基于传统弹性地基梁思想，利用有限元计算，考虑分步开挖和逐级支撑效应，实现了基坑支护体系的弹性地基梁有限元分析过程。结合深基坑工程实例，系统分析了墙体刚度、支撑刚度、预加轴力及土体m值对支护结构位移的影响规律，对从事基坑设计相关人员有一定的参考价值 关键词：基坑工程；弹性地基有限元；支护结构变形；影响因素 引言 目前基坑支护设计的计算方法可分为极限平衡法、弹性地基梁法和有限元方法三类。极限平衡法由于难以考虑施工过程中的不同工况、桩土间的相互作用与影响，也不能反映支挡结构在开挖时的变形情况、基坑的开挖对周围建筑物的影响等，一般仅作为支护结构体系内力计算的校核方法之一。平面（或空间）实体有限元法在模拟基坑开挖时，由于土体本构模型和土体参数难以确定等缺点，结构与土体的相互作用难以准确考虑，且土体按连续介质模拟时采用的边界条件与实际工程可能存在差异以及计算过程繁杂等，使其应用受到限制。弹性地基梁法原理简明，能够考虑支挡结构的平衡条件以及结构与土体的变形协调，分析中所需参数较少，且土的水平抗力系数已经积累了一定经验，还可有效的计入开挖中多种因素的影响，得到了广泛的应用；其中m法由于使用简便、能够满足工程精度，已纳入相关设计规范，成为目前基坑支护结构设计的主流方法 本文基于弹性地基梁的基本思想，利用大有限元软件，将分步开挖程序嵌套于有限元分析求解功能中，能够快捷地实现基坑分步开挖的模拟；结合某深基坑工程，利用该方法系统分析了墙体刚度、支撑刚度、预加轴力大小以及土层m值对地下连续墙位移的影响规律 1 弹性地基梁法 弹性地基梁法把地下连续墙或支护排桩视为一竖置的弹性地基梁，将坑内土体和支撑对支护结构的作用视为（地基反力）二力杆弹簧。坑外土体及水对支护结构的作用简化为主动水土压力，分布形式开挖面以上为三角形分布、开挖面以下为矩形分布，计算模型如图1所示 坑内被动区的土反力按m法计算fi=mizixi。式中fi为第i土弹簧土体反力；mi为第i土弹簧处土层反力比例系数m值，可以按相关规范表格查用；zi为第i土弹簧中心距挖面深度；xi为第i土弹簧处支护结构水平位移 当结构在侧向土压力和土的弹性抗力共同作用下，其挠曲微分方程按m法计算时的表达形式为： （1） 式中：E为挡墙的弹性模量；I为挡墙的截面惯性矩；h为基坑的开挖深度；m为i层土的水平向抗力系数的比例系数；zi为计算点到开挖面的距离；xi为计算点的水平位移；eaik（zi）为墙后主动土压力分布函数；bs为主动土压力的计算宽度 对于挠曲线方程的求解，主要有数学解析解法和杆系弹性地基有限元法、有限元法 2 考虑分步开挖的杆系弹性地基有限元法 基坑开挖过程实际上是一个典型的应力释放过程，不同的施工过程将引起不同的应力路径和应力状态。考虑基坑实际施工过程的计算方法，主要有总量法和增量法。增量法因为能够较好的模拟基坑分步开挖过程，而得到广泛应用。本文利用荷载步功能，即每步施加的荷载为当前阶段实际作用于支护结构的总荷载，但每步实际参与计算的荷载为本步荷载与上步荷载之差，也即增量荷载。结合荷载步，来达到基坑分步开挖施工中不同工况间计算的继承。计算方法见图2： 基坑的开挖是分步进行的，支撑的施加也是在开挖变形之后的，即所谓“先变形后支撑”。部分学者是通过修正墙体先期位移来实现的，具体的做法有强迫支撑位移法和附加节点力法。这些修正方法，都需要人为的干预有限元计算程序，将这种先期变形转化为力或者位移约束，加入到计算中去。目前的通用有限元软件（如ANSYS等）的大变形设置，可以根据先期节点位移自动调整支撑长度，来适应墙体的先期变形，较好地解决了“先变形后支撑”效应。在计算过程中，预加轴力的施加，部分学者考虑将其转化为位移，加入到对支护结构的先期位移修正中，本文通过将预加轴力转化为相应杆单元初始应变的方式来达到预应力效果的模拟，按下式计算：ε=N/（A×Eg），式中：ε为初始应变值；N为预加轴力值；Eg为钢支撑弹性模量 3 支护结构位移影响因素的计算分析及讨论 3.1 弹性地基有限元计算模型 下面以某长条形深基坑为例对支护结构唯一影响因素进行计算分析 该基坑宽30m，开挖深度15m，采用钻孔灌注桩加内支撑的支护形式，桩长23.5m，采用一层钢筋混凝土支撑加3层钢管支撑，钢管支撑间距为3m。钢筋混凝土支撑规格1.2×0.8m2，弹模Ec=2.5e10Pa；钢支撑为φ609厚16mm钢管，弹模Eg=2e11Pa；钻孔灌注桩弹模E=2.8e10Pa 基坑范围内主要分布有填土、粉?|粘土、粘土、粉细砂等；地下水位为地面下1.5m；坑外水土压力采取朗肯主动土压力理论、水土合算