第37卷增刊1 2017年5月 隧道建设 Tunnel Construction V01.37 S1 May 2017 堆载下临江深基坑支护结构性状的ABAQUS数值分析 朱江华,余小强 (南昌市政公用投资控股有限责任公司,江西南昌 330000) 摘要:为了深入研究I临江深基坑在堆载作用下支护结构体系的性状,以南昌市在建工程红谷隧道东岸一临江深基坑为工程背景, 运用大型岩土工程有限元软件ABAQUS模拟深基坑在堆载作用下开挖全过程。模拟结果表明,地连墙在有堆载侧受堆载量大小变 化影响很大,而在无堆载侧则影响较小。随着坑边堆载值的增大,地连墙水平位移沿深度方向的最大值所在位置在逐渐上升。当 堆载达到60 kPa时,对地连墙变形影响巨大,不容忽视。建议若坑边存在堆载时,堆载值不得大于60 kPa。 关键词:ABAQUS;深基坑开挖;堆载;变形 DOI:10.3973/j.issn.1672—741X.2017.S1.007 中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:1672—741X(2017)S1—0039—07 Numerical Analysis of Characteristics of Retaining Structures of Deep Foundation Pit Adjacent to River under Heaped Load by Software ABAQUS ZHU Jianghua.YU Xiaoqiang (Nanchang Municipal Public Investment Proprietary Co.,Ltd.,Nanchang 330000,Jiangxi,China) Abstract:The construction process of a foundation pit of Honggu Tunnel adjacent to river in Nanchang under heaped load is simulated by finite element software ABAQUS SO as to study the characteristics of the retaining stuctrures of the foundation pit.The simulation resuhs show that the heaped load affects the underground diaphragm wall a lot.The point of maximum horizontal displacement of underground diaphragm wall along vertical direction rises with heaped load increase.It is suggested that the heaped load should be less than 60 kPa. Keywords:ABAQUS;deep ̄undation pit;heaped load;deformation O 引言 随着城市建设迅速发展,大而深基坑工程越来越 多,这给基坑支护设计提出更为严格的要求。基坑工 程支护设计的关键是正确计算出作用在支护结构上的 荷载,坑壁土压力是支护结构荷载的最主要来源。实 测表明,基坑周边有无堆载对坑壁土压力影响很大,而 均匀和均匀堆载作用下的滑移线场和相应的土压力分 布,发现基坑周围不同位置的堆载大小只影响基坑侧 壁某部分深度范围内的土压力分布;殷佩生等 在圆 弧滑动法的基础上,结合Boussinesq解,建立了考虑地 面局部荷载的基坑抗隆起安全系数计算方法。 数值方法研究方面:林刚等 运用岩土工程有限 元软件PLAX1S模拟了不平衡堆载下深基坑开挖全过 程;赵春荣等 采用有限元法模拟分析了在较大坑外 堆载条件下,桩锚支护箱涵深基坑的受力规律;李忠 基坑坑壁土压力不仅与堆载的荷重有关还与堆载的分 布特征关系密切。国内外许多学者对坑边堆载作用下 基坑的稳定性进行了很多研究,取得了非常多的研究 成果,并得到了许多规律与总结。 诚等 通过建立三维数值模型,对地面超载条件下自 由场土体侧向位移模式进行了探讨,得出了土体侧向 变形规律;刘波等 采用考虑基坑分层开挖与支护的 理论研究方面:姜晨光等…以地心引力为依据, 结合大量的基坑坑壁土压力实测数据,提出了一种基 于引力场的堆载对基坑侧压力影响的计算方法,给出 了相应的计算公式和应用实例;刘发前等 比较了非 收稿日期:2016—05—18;修回日期:2017—02—20 三维有限元计算模型,研究偏压非等深基坑的开挖效 应,并评价基坑支护结构设计参数的合理性;李玉岐 基金项目:江西省岩土工程重点实验室(20161BCD40010);江西省科技落地计划(KJLD4036) 第一作者简介:朱江华(197O一),男,江西南昌人,2003年毕业于中央党校函授学院,经济管理专业,本科,高级经济师,主要从事工程项目管理工 作。E—mail:626614553@qq.com。 隧道建设 第37卷 等 研究r坑外荷载大小、荷载施加时间和荷载施加 区域对 坑支护结构水平位移、坑外地表沉降和坑底 隆起变形的影响。 ,j外不少学者结合工程实例,通过现场检测来分 析研究 广 明涛等 介绍武汉某深基坑的围护设计、 施 L:和临测方案,对主要监测结果进行详细分析;吴 汀斌等 以南京世茂外滩新城大面积高填土为背景 1 程,采用数值分析方法对填土作用下单桩的变形与 受力性状进行了理论分析,并就本工程填土对结构和 桩的影响进行了整体平面有限元分析;李前名等… 以某铁路桥因地面大量堆载引发桥墩偏移等病害为研 究内窬,采用荩坑放坡开挖模式计算了地面堆载作用 下该桥卡I1关桥墩周边土体的滑动面;徐岱等¨ 以苏 州某深基坑联合支护工程为研究对象,对比分析了围 护结构变形、周边管线以及轨道交通隧道变形的计算 结果与监测结果;李志伟¨ 结合具体深基坑工程实 例,针对邻近建筑物对深基坑变形所产生的影响进行 深入分析,对基坑邻近建筑物对其变形所产生的影响 有了较为深入的理解。 图2深基坑平面示意图(单位:m) Fig.2 Plan location of deep fimndation pit(m) 1.1 工程地质 基坑开挖及计算分析所涉及的主要土层有4层,自 上而下具体分希隋况为:①吹填砂,3 m, :32。;②粗 砂,3 n1, :32。;③中风化泥质粉砂岩,14 m,c=100 kPa, =35。;④钙质泥岩,30 m,c=100 kPa, =35。。 1.2围护结构参数 深基坑围护结构采用钢管桩、钻孔桩及地下连续 墙等形式。基坑采用混凝土支撑和4,609钢支撑的支 护形式。深基坑的围护结构形式及支撑形式如表1 所示。 表1 深基坑的围护结构形式及支撑形式 Table 1 Retaining structure anti support mode of deep ifmndation pit 本文针对坐落于南昌市在建的大型工程红谷隧道 东岸临江深 坑在堆载作用下支护结构性状展开研 究。红 隧道东岸临江深基坑采用明挖法施工,考虑 到周边环境影响,堆土不能及时运出,则坑边堆载对基 坑稳定性将产生一定影响。而不正确的堆载方案将对 基坑产生很大风险,甚至垮塌。本文运用有限元软件 ABAQUS洋细分析对比在坑边堆载大小及其分布不同 情况下埘基坑支护结构性状影响,确定最佳堆载方案, 提出堆载安全范围值,从而保证工程安全施工。 1 工程概况 红 隧道东岸深基坑面临赣江,采用明挖法开挖。 临江侧使用圃堰来隔离赣江水流,围堰为充砂长管袋 围堰,堰顶长度约650 m,堰顶至河床面高约20 m。背 江侧主要建筑有国土资源厅、江西省水利厅及滨江1 号等。深 坑长130 m,宽度平均为36 m,开挖深度为 16.6 P/I.滑接D、S、C及N等匝道基坑。深基坑空间位 示意 如图l所示,平面示意图如图2所示。 2数值分析 2.I模型建立 在I临江深基坑开挖施工过程中,为分析坑边堆载 对基坑周围岩土体及围护结构的受力与变形,并提出 图1 深基坑空间位置示意图 l,'ig.1 Spatial location of deep foundation pit 控制措施,基于ABAQUS大型有限元软件建立三维模 型进行研究。三维模型图如图3所示。 增f{J 1 朱汀华,等: 堆载F临i1 深琏坑芰护结构性状的ABAQUS数值分析 图3三维模型图 Fig.3 3 D model diagl’am 根据基坑周边环境及南一地 临赣江基坑开挖经 验,确定模型尺寸为300 II1 X 500 In×50 m(宽X长X 高),可满足分析精度要求。 模型约束条件为:4个侧面水平向位移约束,底 部 、Y、 方向约束,上表面为自由而。同堰及岩土体 川实体单元模拟,内撑、 柱采用梁 元模拟,地连埔 采用壳单元模拟,都服从摩尔一库仑本构,如图4所 示。岩土体参数根据地勘报告选取,如表2所示。地 连墙及支撑等采用线弹性模型,其有关参数如表3 所示 图4基坑支护体系示意图 Fig.4 Sketch diagram of fi)undation pit support system 表2相关土层参数 Table 2 Pa r'anleters of soi l layers 表3地连墙及支撑参数 Fable 3 Parameters of underground diaphragm wall and support 2.2工况拟定 模型分区图如图5所示。为研究坑边堆载对耩坑 围护结构的影响,特对堆载区域、堆载大小展歼分析, 拟定如表4所示3种工况,以供对比分析。 图5模型分区图 Fig.5 Partition of model 表4模拟工况 Table 4 Sinmlation eases 况 描述 . 肇坑开挖至6 m,区域1、区域2无堆载,随后继续开挖毡 坑至设计标高 基坑开挖至6 m,区域1堆裁20 kPa, 域2无堆戟,随后 继续开挖基坑至设计标I岛 基坑开挖至6 m,区域1堆载40 kPa,区域2无堆载.随后 继续开挖基坑至设计标商 基坑开挖至6 m,区域1堆载60 kPa,区域2无堆载,随后 继续开挖基坑至设讨‘标高 每种工况在模型建立及参数赋值后,首先土体自 重应力平衡,其次施工既有基坑 护结构。基坑施_f 模拟按照“先撑后挖”原则,先施作内撑,后开挖土体, 直至基坑开挖至设计标高后,计算结束。图6为工况 2模拟工序。 2.3计算结果及分析 取如图7所示点,对围护结构变形进行分析。 2.3.1工况2地连墙变形情况 基坑开挖结束后地连墙的侧向变形云图如图8所 示。可以看出,基坑围护结构的侧向变形存在明显的 i维空间效应,越靠近基坑开挖高度中部变形越大,基 坑角点附近变形较小,这是由于土体的拱效应和基坑角 点2个方向地连墙结构的强大相互支撑作用(拐角刚度 强化效应)有效限制了基坑角点维护结构的侧向变形。 42 模拟土体.并赋子对应层参数 隧道建设 墙体侧位移/mnl T▲ ■J _笫37卷 := ■I阻 瞄■■墨—■● m 峨n:= 2吨矗母LL 懈埘 研 _ . v v v v v v v unv v vO l 臆加重力,并完成地应力平衡 , ・ ● i 施加地连墙和立柱,并模拟接触 l 施作第1道支撑 r T ’ ▲ ▲ ● ▲ ●.J ●一 O■ ■ . T , ▲ ▲ ●●■ ■ ‘ , ▲T ●■ ▲●■ ‘ v▲●● l 开挖第l层土,至一6 m T●●■ ・ . -工况l ’JI I 区域1堆载20 H ;臻 ,fil1. (a)2 l 施作第2道支撑 l 开挖第2层土,至一11.2 m 。 墙体侧位移/mm ^‘./一 ¨,^●n l 施作第3道支撑 ,▲●■ u i 开挖第3层土,至一16.6 m r^●■ , ●,- 5 . ■ r●,●●■ ●■ ’▲●at ▲●■ ’ 10 . 图6工况2模拟工序 Fig.6 Simulation process of construction condition 2 _ ●it. ’‘ l r^簟●、 ●_ ・ L5 :臻 ,工况3 工况4 20 1c (b)3 墙体侧位移Imm …● 5‘ -、 ■I、 _ 'I 图7监控点布置图 _ ●Fig.7 Layout of monitoring points { 霎 霎 ;加 ‘- III l5‘ ● 20_ ・.・ 一: ▲工况3 v工 - ,,C (C)6 墙体侧位移/mm Z 】’.厶 图8地连墙变形云图 Fig.8 Defomzation nephogram of underground diaphragm wall 其他=r 况下地连墙变形云图与在工况2情况下自勺类似。 2.3.2 有无堆载下地连墙变形对比分析 如图5所示,区域1在工况2、3、4情况下,都受到 堆载作用.而区域2在各种工况下都没有堆载。那么 区域1侧的地连墙变形与区域2侧的存在明显差异, 监控点2、3、6、7在各种工况下变形曲线图如图9所 示。4种不同工况下地连墙监控点2、3、6、7的变形量 最大值如表5所示。 (d)7 图9地连墙监控点的变形曲线图 Fig.9 Defomm!ion cuI've ̄s of underground diaphragm wall 增刊1 朱江华,等: 堆载下l临江深基坑支护结构性状的ABAQUS数值分析 43 表5 4种不同工况下地连墙监控点的变形最大值 Table 5 M ̄imum deformation of underground diaphragm wall undert four different construction conditions mm 而变化的显著 而在区域2一侧,即无堆载侧,监控点 ( )Ia 6、监控点7地连墙变形量随堆载大小变化而变化不明 # 显,几乎没有变化。可以得知,地连墙在有堆载侧受 堆载量大小变化影响较大,而在无堆载侧则影响 较小。 迥 隧 舆 2.3.3堆载大小对地连墙变形影响分析 在区域1,即有堆载侧,考虑坑边堆载作用,分析 F ●l g 在工况1._4的条件下地连墙的变形情况,如图1O所 【 0 从图9及表5可以看到,在区域1一侧,即有堆载 示。4种不同工况下地连墙监控点1、2、3、4的变形量 侧,监控点2、监控点3地连墙变形量随堆载大小变化 最大值如表6所示。 墙体侧位移/mm墙体侧位移/mm 墙体侧位移/mm 墙体侧位移/mm 乓 醛嚣{= (b)2 (c)3 (d)4 图10地连墙监控点的变形曲线图 Deformation eu ̄es of underground diaphr乓 甚颦 agm wall 表6 4种不同工况下地连墙监控点的变形最大值 3施工效果 Table 6 M ̄imum deformation of underground diaphragm wall 施工方接受上述意见,严格按照设计的要求,在区 under four diferent construction conditions mm 域1堆载的最大值为45 kPa,并逐步施工。施工中对 东岸临江深基坑地下连续墙进行监测,监测点分布图 如图11所示。 { 隧 辩 由图l0与表6可知,地连墙变形量随坑边堆载量 的增大而增大,其中监控点1和监控点2尤为明显,而 监测点3和监测点4相对变形较小,这是由于土体的 拱效应和基坑角点2个方向地连墙结构的强大相互支 撑作用(拐角刚度强化效应)有效限制了基坑角点维 护结构的侧向变形。 4种工况下监控点的最大值所在深度位置不同, 工况1在一9.11 m深度,工况2在一8.08 m深度,工 况3在一7.04 m深度,工况4在一5 m深度。可见,随 着堆载值的增大,地连墙沿深度变形量的最大值所在 位置在上升。 图11监测点分布图 工况4下,监控点2的最大位移达到22.62 mm, Fig.1 1 Distribution of monitoring points 而地连墙变形的控制值为30 mm,则其达到75.4%,故 测斜点的监测数据如图12所示。 对地连墙变形影响非常大,不推荐在坑边堆载60 kPa 测点CXW3累计变形量最大值为6.87 mm,测点 及以上的荷载。 CXW4累计变形量最大值为4.01 mm,测点CXW5累 隧省建霞 乓 一 第37卷 计变形量最大值为2.44 mm,测点CXW8累计变形量 最大值为1.94 mm,测点CXW9累计变形量最大值为 累计变形值/mm 1.02 mm,测点CXW11累计变形量最大值为6.53 mm, 都远小于变形控制值30 mm。 累计变形值/椰m 。~一~ . ~. . _d _6一 迥_8 蹙 -12・ 乓 一 -l4- lb- m--累计变形值., 一(a)测点CXW3 (b)测点CXW4 (c)测点CXW5 累计变形值/mm 累计变形值/mm 累计变形值/mm 。 : _2 - 一 晏 迥 磺 < (d)测点CXW8 > l6 (e)测点CXW9 (f)测点CXW11 图12测斜点的监测数据图 Fig.1 2 Measured data of monitoring points 4结论与建议 本文通过使用数值软件ABAQUS来模拟深基坑 在堆载作用下的开挖过程,研究了地下连续墙分别在 一4)数值模拟分析的基坑围护结构变形规律与实 测相同,但与实测的变形量大小存在一些差异。在基 坑开挖过程中,应实时监测基坑围护结构的变形,达到 动态施工的效果。 侧有不同大小堆载作用下的水平位移变化规律,结 1)坑边堆载对深基坑开挖影响很大,在工程中不 论与建议如下。 参考文献(References): 能忽视。对比坑边堆载为20、40、60 kPa 3种情况,当 坑边堆载为60 kPa时,离堆载近的一侧地连墙变形量 [1]姜晨光,王辉,方丽娟,等.堆载对基坑侧压力影响的引 力算法与初步实践[J].南水北调与水利科技,2009(3): 31—34.50. 达22.62 mm,为控制值30 mm的75.4%。建议若坑 边存在堆载,堆载值不得超过60 kPa。 2)有堆载侧,地连墙变形量随堆载大小变化而变 化的显著。无堆载侧,地连墙变形量随堆载大小变化 而变化的不明显,几乎没有变化。可以得知,地连墙在 JIANG Chenguang,WANG Hui,FANG Lijuan,et a1. Calculating method and initial practice on the influence of the stacked heavy load at ground on pit—wall soil pressure of foundation pit based on gravitational field[J].South—to— North Water Transfers and Water Science&Technology. 有堆载侧受堆载量大小变化影响较大,而在无堆载侧 贝0影响较/J、。 2009(3):31—34,50. [2] 刘发前,王建华.非均匀堆载作用下圆形基坑主动土压 力分析[J].上海交通大学学报,2006(12):2134— 2136,2146. 3)随着坑边堆载值的增大,地连墙水平位移沿深 度方向的最大值所在位置在上升。 增刊1 朱江华,等: 堆载下临江深基坑支护结构性状的ABAQUS数值分析 45 LIU Faqian,WANG Jianhua.The active earth pressure of circular pit subjected to non—uniform surcharge loading[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University,2006(12):2134— 2136,2146. [3] 殷佩生,史亚群.考虑地面局部荷载的基坑抗隆起稳定 性分析[J].水资源与水工程学报,2016(2):223— 226,230. YIN Peisheng,SHI Yaqun.Analysis of stability against upheaval of foundation pit in considering local ground load [J].Journal of Water Resources and Water Engineeirng, 2016(2):223—226,230. [4] 林刚,徐长节,蔡袁强.不平衡堆载作用下深基坑开挖支 护结构性状研究[J].岩土力学,2010(8):2592—2598. 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