一种考虑深基坑坑角效应角撑设置分析.docVIP

一种考虑深基坑坑角效应角撑设置分析 　　摘要：深基坑是一个复杂的三维空间问题，本文基于ADINA有限元软件利用在坑角效应影响范围内和坑角效应影响范围以外设置角撑，重点分析设置角撑及不同角撑位置对支护结构变形、角撑轴力的影响，结果表明：有的放矢的设置角撑能够很好的抑制支护结构的变形；支护结构和角撑更加合理地承受坑后土体的土压力，充分利用两者的强度。 　　关键词：深基坑；坑角效应；角撑 　　近年来，随着高层建筑的不断兴起，产生了大量的基坑开挖工程。由于基坑工程的复杂性，采用常规分析方法很难反映出诸多的影响因素。因此，目前多采用数值方法来研究基坑工程的整体性。事实上，基坑在几何尺寸上都是三维的，且这种空间效应会随着侧向土拱效应和坑角两边支撑的弯曲变形而表现得更加明显。但是以往的设计和研究中，人们常常将基坑简化为二维平面应变问题进行分析计算，如Clough and Mana（1976）；Clough and Handen（1981）；Lee 等（1993）；Yong等（1989）；Finno andHarahap（1991）；Smith and Ho（1992）。然而，由于坑角的存在使得基坑的三维空间效应表现得更加明显。基坑工程的坑角效应日益受到人们的关注[1～3]。 　　实际工程应用中，角撑的选择和设置往往有一定的随意性，甚至盲目性，可能会夸大或缩小其对支护结构性状的影响程度。通常只作为安全储备或是作为基坑抢险的应急措施。角撑具有施工方便、工程量小等特点，与对撑相比较而言有很多的优越性。设置合适的角撑位置具有重要的意义。但是角撑的受力状态复杂，如果角支撑设计不合理，角支撑常常失稳。对撑的位置，以往有很多的学者做了大量的研究，但是很多都是在平面问题的情况下讨论的而且不知道支护结构上作用的空间土压力分布情况。所以怎样在坑角效应影响范围内设置合理的支撑具有重要的理论价值和经济效益。基于[4]研究的基础上，本文利用在坑角效应影响范围内和坑角效应影响范围以外设置角撑，重点分析不同的角撑位置对支护结构变形、角撑轴力的影响。结果表明：有的放矢的设置角撑能够很好的抑制支护结构的变形；支护结构和角撑更加合理地承受坑后土体的土压力，充分???用两者的强度。 　　一、有限元分析模式及计算 　　（一）有限元分析模式 　　1.基坑开挖一般属于临时性工程，工期不长，故按不排水条件进行总应力分析。不考虑地下水的影响和固结效应，考虑由于围护结构施工对土体扰动的影响。 　　2.围护结构按弹性材料考虑，土体采用空间8节点等参元。本构模型采用Mohr - Coulomb弹塑性模型。 　　3.计算范围：原则上，计算域范围要达到基坑开挖结构受力后不再产生位移的边界为止，由以往的经验知基坑开挖影响宽度为开挖深度的3～4倍，影响深度为挖深的2～3倍，在本算例中墙后侧边界取至4H，墙底方向的边界取至基坑底面以下3H，H为开挖深度。 　　4.单元网格剖分原则：靠近开挖区，特别是坑角区域采用精细剖分。 　　5.开挖顺序：分5级开挖，每次开挖2m。 　　6.接触面的形式：采用薄层单元。 　　（二）有限元计算 　　参考算例2的计算简图如图1，计算参数同[4]的参考算例1，支撑按弹性材料考虑，弹性模量为E=20GPa。根据[4]的主动土压力坑角效应影响范围合理设置两层角撑，水平间距都为10m，第一层支撑中心位于地表下2m处，断面为0.4×0.4m，第二层支撑中心位于地表下6m处，断面为0.6×0.6m。计算步骤：采用ADINA单元生死法来模拟分步开挖过程的开挖荷载释放及其角撑的施加，其具体计算步骤如同[4]，不同的是在第一级开挖的同时就施加第一层角撑，在第二级开挖的同时施加第二层角撑。三维有限元开挖前的计算模型见图1。 　　二、内撑式支护结构水平位移分布规律分析 　　图2.1 和图2.2分别为内撑式支护结构的水平位移沿基坑长度Y向和深度Z向上的分布图。 　　从图中可以得到以下规律： 　　（一）由于坑角效应的存在，内撑式支护结构的水平位移沿深度方向上呈两头小中间大分布。各剖面的最大位移均发生在基坑开挖面以下，主要是本文开挖面以下的土体是弹性模量为5MPa的软土导致的，文献[5]也得到了同样的规律。支护结构中部的变形量为达到30mm 左右，而在坑角0m～2m范围内的变形量仅为2.5mm左右，两者相差高达12倍左右； 　　（二）内撑式支护结构的水平位移沿基坑长度方向上的分布规律与悬臂式支护结构相似，但有内支撑结构时，水平位移明显降低。由悬臂式挡土结构的最大变形量为75mm左右，而图2.2显示的有内支撑结构的最大水平位移仅30mm左右。有内支护结构使最大水平位移减少了60%左右，并且有内支护结构时变形沿水平方向分布更均匀。 　　由以上的分析可知，在主动状态