基坑开挖支护全过程受力变形分析

    基坑开挖支护全过程受力变形分析

薛探虎

 陕西华山路桥集团有限公司

陕西西安 710016

【前  言】我们提出了一种基坑支护结构内力及变形动态分析的弹性地基梁有限元计算方法,并结合一个工程实例,分析了基坑开挖过程中支护结构体系内力及变形的变化过程.计算表明,该方法与传统方法相比,更符合工程实际。

【关键词】圈梁支撑+钢管桩围堰 有限元分析模型 结构的离散化 选择位移模式 力学特性 基坑内外侧抗弯验算

【正  文】

一、工况分析

某基坑开挖支护采用四道圈梁支撑+钢管桩围堰施工。尺寸：13.2×13.2×4.0m，基础范围内地层以中砂为主。基础采用钢管桩围堰施工，共采用4道圈梁支撑。

其基础施工顺序为：（1）设置导向插打钢管桩；（2）围堰内继续开挖至干环境下安装第二道圈梁；（3）围堰内继续开挖4.5m，干环境下安装第三道圈梁；（4）围堰内继续开挖4.5m干环境下安装第四道圈梁；（5）若围堰内未发生严重渗水现象，则继续将围堰开挖至施工0.5m厚垫层混凝土；若发生严重渗水，则停止干挖，将基坑内回水至内外水头齐平，水下吸泥至封底底高程+，水下施工封底混凝土，将围堰内水抽干；（6）施工承台及混凝土圈梁，拆除第四道圈梁；（7）混凝土圈梁施工完成后，水位上涨时，需要将围堰钢管接高3m至+365.5m，并安装第一道圈梁；（8）施工主要，围堰内回水，先后拆除第三道、第二道、第一道圈梁；（9）拔除锁口钢管桩，基础施工完成。

二、钢管桩支撑有限元分析模型

本项目采用有限元法进行计算模型分析。有限元法是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。有限元法的分析过程，概括起来可以分以下五个步骤：

①结构的离散化。

结构的离散化是有限单元分析的第一步，它是有限元法的基本概念。所谓离散化简单的说，就是将要分析的结构体分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它代替原来的结构。

②选择位移模式。

在完成结构的离散之后，就可以对典型单元进行特性分析。此时，为了能用结点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布做出一定的假定，也就是假定位移是坐标的某种简单的函数，这种函数就是位移函数或插值函数。根据所选定的位移模式，就可以导出用结点位移表示单元内任一点位移的关系式，其矩阵形式是

式中：－单元内任一点的位移列阵，－单元的结点位移列阵，－形函数矩阵。

③分析单元的力学特性

位移模式选定以后，就可以进行单元的力学特性分析，包括下面三部分内容：

利用几何方程，由位移表达式（1）导出用结点位移表示单元应变的关系式

式中：－单元内任一点的应变列阵，－单元应变矩阵。

利用本构方程，由应变的表达式（15）导出结点位移表示单元应力的关系式

式中：－单元内任一点的应力列阵，－与单元材料有关的弹性矩阵；考虑弹塑性问题时，采用增量法，－弹塑性本构矩阵。

建立作用于单元上的结点力和结点位移之间的关系式，即单元的平衡方程

式中：为单元刚度矩阵，其表达式一般通过积分形式表示为

④集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程。

集合过程包括有两方面的内容：一是将各单元的刚度矩阵，集合成整个物体的刚度矩阵；二是将作用于各单元的等效结点力列阵，集合成总的载荷列阵。于是得到以整体刚度矩阵、载荷列阵以及整个物体的结点位移列阵表示的整个结构的平衡方程。

⑤求解未知结点位移和计算单元应力。

本项目选取钢管桩围堰进行三维建模计算分析。基础钢管桩围堰计算模型总长200m，宽115m，高62.7m，其中基坑长48m，宽16.2m，深20.066m，模型共划分为177018个单元、113828个节点。模型两侧为法向约束，底部为全约束。具体的计算模型图如下图所示。

支撑中计算涉及的地层有黄土状土2-1-1、卵石2-10、黄土状土2-1-2，粉质黏土3-4、中砂3-7；W07承台钢管桩围堰计算涉及的地层有中砂2-5-1、中砂2-5-2、中砂2-5-3、粉质黏土3-4、中砂3-7。

钢管桩支撑计算参数表

三、钢管支撑体系计算结果分析：

基坑开挖到底部时受力变形情况最不利，开挖到基坑底时钢管桩围堰的总位移和内力图如图

。最不利工况下钢管桩围堰所受土压力、位移、弯矩、剪力图内力位移包络图：

内力位移包络图：

基坑内侧抗弯验算(不考虑轴力)：

σnei=Mn/(γ*Wx)=717.118/(1.050*7023.277*10-6)=97.244(MPa)，满足要求。

基坑外侧抗弯验算(不考虑轴力)：σwai=Mw/(γ*Wx)=554.959/(1.050*7023.277*10-6)=75.254(MPa)，满足要求。

整体稳定安全系数Ks=1.570>1.35,满足规范要求

抗倾覆(对支护底取矩)稳定性验算:工况7：Kov=2.627>=1.250,满足规范要求

嵌固深度采用值13.100m>=3.513m,满足构造要求

工况7：Ps=3811.492≤Ep=4114.199，土反力满足要求

围堰在干挖到底时，采用浇筑20cm厚的垫层混凝土即可，当围堰开挖发现涌水量比较大时，应立即停止抽水，此时应对坑内进行回灌，保证水位回升至第一道围檩处，此时采用水下导管进行水下封底，从围堰一角沿着基坑长边依次进行封底即可。待基坑水下封底完成后，即可开始抽水，抽水完成后开始破桩头浇筑承台。承台浇筑完成后，开始逐渐拆除承台钢筋。

【结论】本项目提出了在富水砂卵石层深基坑的开挖方法，并通过Midas对各个开挖工况进行计算，验证了各个工况下的安全性。内支撑拆除时，通过设置混凝土圈梁的方法，进行支撑体系切换，保证基坑施工过程中的稳定性。同时对于基坑涌水等处置措施进行了总结，为同样地质状况下基坑开挖出现问题时提供了经验借鉴。

【参考文献】

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[2]谢强.基于深基坑复合土钉支护受力变形的弹塑性三维有限元分析[M].兰州理工大学2022(105)：55-58.

[3] 赵民.吴恒升。周丽红深基坑支护结构变形规律分析[J]建筑技术开发2022.5

[4] 郑光宇.基坑支护结构变形影响因素及控制措施[J]砖瓦世界2022(15)：58-61.