基坑被动区拱形加固布置的拓扑优化及数值分析.pdfVIP

第46卷 第21期 人 民 长 江 Vo1．46，No．21 2015年 11月 Yangtze River NOV．， 2015 文章编号：1001—4179(2015)21—0088—05 基坑被动区拱形加固布置的拓扑优化及数值分析 刘 续，于 沉 香，凌 飞，张 艳 军，陈 铂 (中冶集 团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080) 摘要：在采用水泥搅拌桩加固被动区土体的工程实践中，常见的加固形式有实腹式和格构式，而拱形布置作为 一 种新型的加 固形式，其合理性及优势有待验证。首先采用 ANSYS软件对加 固布置形式进行 了拓扑优化 ．发 现拱形为受力最优形式。进一步的二维有限元计算表明，在桩体位移相同情况下，拱形比格构式能节省更多 材料 。以某基坑工程为例开展 了实例研究，数值模拟及监测结果证实，相较于传统实腹式布置，多拱结构在控 制桩体位移 的同时，能大幅减 少材料用量。 关 键 词 ：基坑 ；被动 区加 固；拱形布置 ；拓扑优化 ；数值分析 中图法分类号 ：TV470+3 文献标志码 ：A DOI：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．21．022 用 MIDAS软件进行数值对比分析 ，以验证多拱布置受 1 研究背景 力的合理性。 随着我 国城市化发展进程的加快 ，必然带来大量 土木工程的兴建 ，并伴随着大量基坑 的开挖。随着基 @ @ @ @ 坑朝着大、深方向发展 ，其对周边环境的影响程度也越 来越大 。水泥土搅拌桩加固被动区作为一种可行的变 形控制措施 ，能够有效地改善土体的力学指标 ，减小降 水引起的三维固结变形 ，增强坑底抗隆起能力 ，提高被 动土压力系数等 。 关于被动区加 固，诸多学者进行 了深入研究。其 中，魏祥等通过有限元弹塑性分析 ，讨论了被动区加固 (a)实腹式布置 范 围、加 固程度等对桩基侧 向变形 的影响 。刘溢对 不 同地质条件和基坑变形控制要求下合理的加固形式 ④ @ @ @ @ 进行了研究 。郑俊杰等对基坑裙边加 固和抽条加 固的主要参数及布置形式进行研究 ¨，得 出其加 固宽 度和加 固深度的规律 。但上述研究均建立在普通被动 区加固形式上 ，对其他方式 的加固均未涉及。 被动区加固常见 的布置形式有实腹式和格构式， 如图1所示 ，而拱形加固属于一种新型的加固形式 ，其 (b)格构式布置 合理性和实用性需要得到验证。为此 ，本文通过 AN— SYS软件进行拓扑优化分析 ，以寻找最优布置形式 ，采 图 1 常见被动区加固形式 收稿 日期 ：2015—03—27 基金项 目：武汉市城建科研项 目“深基坑被动 区加 固结构化加 固新技术研发 ”(201219) 作者简介：刘 续，男，工程师，硕士，主要从事基坑支护的设计和研究工作。E—mail：liuxur811@163．com 第21期 刘 续，等 ：基坑被动区拱形加 固布置 的拓扑优化及数值分析 89 2 拱形加固拓扑优化 2．1 拱形加 固概念 当拱形受到垂直拱弧的外压力时 ，能把均布荷载 沿着拱弧向两侧和拱脚传递 ，如 图2所示。如果拱形 有足够的强度 ，就能承受巨大的压力 ，自然界拱桥的设 计为最好的佐证。当拱内充填介质时 ，因挤密而产生 外推力 ，那么拱就能够承受更大 的外力 ，基于此 ，本文