地下连续墙开挖过程的数值分析

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　　摘要：目前基坑工程的设计均以长条形基坑为基础，把基坑当作一个平面应变问题来研究，其本质上采用的依然是弹性地基梁法，但是由于弹性地基梁法无法考虑整个基坑和地下连续墙支护结构的空间效应，可见弹性地基梁法在分析地下连续墙时具有明显的局限性。本文在系统的综述了有关地下连续墙研究进展的基础上，采用有限元数值模拟的方法，分析了基坑分步开挖过程中，基坑角部效应、坑底隆起的空间分布情况、墙后地表位移的情况。
　　关键词：数值分析；地连墙；有限元模拟；土体变位
　　
　　1 引言
　　基坑的支护结构设计计算，是近十多年来中国在地下开挖工程中逐步涉及的计算难题之一。国内外学者进行了许多研究，取得了不少有益的成果。以往的支护计算方法主要有等值梁法[1]、太沙基法[1]、山肩邦男法[1]、弹性梁法[2]、弹塑性法[3]等。随着计算机技术的发展，有限元法被引人支护计算中。目前常用的有限元法是以弹性地基梁法为基础而建立的一维有限元法，以及以Biot固结理论为基础的二维有限元法[4][5]。但是由于弹性地基梁法将基坑支护体系的三维问题简化为一维问题和平面问题,无法考虑整个基坑和地下连续墙支护结构的空间效应，可见弹性地基梁法在分析地下连续墙时具有明显的局限性。由于计算成本太高，目前人们很少将地下连续墙进行三维建模分析研究。
　　为了深入研究基坑开挖阶段对地下连续墙变位的影响，本文拟采用有限元软件ABAQUS对基坑开挖过程进行模拟。在传统基坑开挖有限元数值模拟的基础上，将支护结构与土体之间的相互作用、协调变形考虑到有限元当中，对基坑的空间变形性状进行了较系统的分析，研究了在基坑分步开挖过程中，基坑角部效应、坑底隆起的空间分布情况、墙后地表位移的情况。
　　2有限元模型的建立
　　为了模拟地连墙-土体的相互作用，我们采用土体分层三维有限元模型，也就是将地连墙支护结构与周围土体地层作为一个整体进行模拟开挖。地连墙深度为13m，墙厚0.8m，土体长80m,宽26m,高为41.7m。计算区域侧边界距坑壁取8m，基坑底部至底边界垂直向取23m。土体四周设置法向约束，土体底部设置全约束，墙体采用C3D8R单元，土体采用C3D8P单元。
　　3计算结果分析
　　3.1角部位移
　　图3-1、3-2分别方形基坑阴角角部处各开挖阶段沿深度方向的位移分布。
　　
　　图3-1基坑沿短边角部位移
　　
　　图3-2基坑沿长边角部位移
　　从图中可以看出，基坑随着开挖深度的加深，角部处沿深度方向的位移值沿长边和短边两方向的位移不断增大。而且顶端处位移值最大，底端位移值最小。随着开挖深度的加深，基坑开挖结束后角部处沿基坑短边方向的位移最大值达到0.2mm；而角部处沿基坑长边方向的位移值达到0.4mm。由于地下连续墙是一个完整的空间体系，它是整体协调工作变形的。长向边墙的纵向刚度非常大，对短边而言，就相当于一个支座。同样，短边对长边而言也相当于一个支座，则基坑的转角处近似于支座，所以靠近转角处的墙顶位移要小于中间位置处的墙顶位移，沿长边最大位移大于沿短边最大位移。这说明角部处位移非常小，可以忽略不计，在数值模拟计算中几乎可以作为固支来处理。从而可以看出基坑的角部是变形最小、支护结构刚度最大的部位。
　　3.2土压力分布
　　
　　图3-3土压力有限元分析结果
　　从图3-3可知，静止土压力沿深度方向大致上呈直线分布。前三次开挖后，土压力有所减少，但是这种近似的直线分布形式基本保持不变。然而最后一次开挖后，基坑深度5m处以上发生了显著的变化，土压力分布不再出现直线形式，呈现出内凸的状态。基坑深度3m处以上，土压力分布曲线几乎为一条铅直线，土压力值基本上趋近与零。究其原因，是因为开挖完成后挡墙顶部附近位移最大，基本上呈现为直线。土与挡墙之间开始进入脱离状态。
　　3.3墙后地表位移
　　
　　
　　图3-4挖至坑底时墙后位移
　　图3-4是开挖至基坑底时墙后沉降随距离地连墙距离的变化情况。由于模型的超载施加在坑外34m范围内，故坑外土体在坑外约35范围内形成了一个鞍状的沉降，最大坑外沉降6.40cm，发生在坑外18m距离左右，35m以外的土体沉降几乎可以忽略。由此可见，由于地连墙的侧向变形很小，对坑外沉降的影响不大，地下连续墙的坑外沉降主要由坑外超载引起。
　　4结论
　　本文通过应用大型通用有限元软件ABAQUS,对基坑开挖过程进行了模拟。在传统基坑开挖有限元数值模拟的基础上，将支护结构与土体之间的相互作用、协调变形考虑到有限元当中，并对基坑的空间变形性状进行了较系统的分析，研究了在基坑分步开挖过程中，基坑角部效应、坑底隆起的空间分布情况、墙后地表位移的情况。主要得到结论如下：
　　（1）基坑随着开挖深度的加深，角部处沿深度方向的位移值沿长边和短边两方向的位移不断增大。而且顶端处位移值最大，底端位移值最小。靠近转角处的墙顶位移要小于中间位置处的墙顶位移，沿长边最大位移大于沿短边最大位移。可以分析出基坑的角部是变形最小、支护结构刚度最大的部位。
　　（2）基坑支护结构附近的地面隆起量明显小于基坑中部的隆起量。第一次开挖支护结构约束作用的影响范围较小，最后三次开挖基坑支护结构约束作用的影响范围持续增加。
　　（3）模型的超载施加在坑外34m范围内，故坑外土体在坑外约35范围内形成了一个鞍状的沉降，35m以外的土体沉降几乎可以忽略。
　　
　　[参考文献]
　　[1] 黄强.深基坑支护结构实用内力计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1995.
　　[2] 杨林德，仇圣华，杨志锡.基坑围护位移量及其稳定性预测[J].岩土力学，2001,22(3):267-270.
　　[3] 胡孔国，吴京，宋启根.深基坑开挖和支护全过程分析的弹塑性有限元法[J]建筑结构，1999(3):34-36.
　　[4] 唐孟雄.基坑开挖挡土墙的有限元模型[J].同济大学学报，1998,26(5):516-520.
　　[5] 董建国，赵锡宏.高层建筑地基基础—共同作用理论与实践[M].上海:同济大学出版社，1997.