深基坑支护结构的非线性有限元分析

摘要: 利用ANSYS有限元分析程序,对深基坑支护结构的受力性能进行非线性数值模拟，介绍深基坑支护结构建模和分析的方法。通过ANSYS程序提取深基坑支护结构的位移云图和应力云图，对基坑的空间性状进行了较系统的分析，表明ANSYS程序可以有效模拟深基坑支护结构的整个受力和变形过程。

关键词：深基坑支护结构；ANSYS；非线性；有限元分析

Abstract: By using ANSYS finite element analysis program, the paper conducts the nonlinear numerical simulation of the mechanical properties of deep foundation pit supporting structure, and introduces the methods of the modeling and analysis of deep foundation support structure. The systematic analysis of space property of deep foundation pit by employing the displacement nephogram and stress nephogram of deep foundation pit extracted by the ANSYS program indicates that the ANSYS program can effectively simulate the the entire force and deformation process of the deep foundation pit supporting structure.

Key words: deep foundation pit supporting structure; ANSYS; nonlinear; finite element analysis

中图分类号：TV551.4文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）

引言

随着基坑工程的发展，基坑深度不断增加，平面形状也越来越不规则，基坑的空间效应也越来越多地影响到了基坑支护体系的设计及施工。在以往的设计和研究中，人们常常将基坑工程简化为二维平面应变问题进行分析计算，但是这样很难反映出基坑工程中诸多的影响因素，特别对于许多形状不规则的基坑分析结果与实际情况相差较大，给基坑工程的研究和设计带来了许多新问题。因此，为了较为准确、全面地了解基坑工程的受力性能，需采用有限元方法等数值模拟技术进行结构理论分析研究。大型商业通用有限元分析程序ANSYS在前后处理、模型建立、运算功能和操作界面方面均表现出较强功能。

开挖模型的建立

所分析的基坑为长方形，长30m，宽30m，开挖深度为7m，采用APDL语言进行建模和分析。由于型钢混凝土桩身采用C30混凝土，根据混凝土设计规范，其弹性模量为E=3×104N/mm，泊松比ν=0.2。为便于分析，将混凝土桩按照抗弯刚度等效原则转化为地下连续墙进行模拟。对桩径为D，桩中心距为d0的圆形桩，换算为连续墙后的厚度为。本文中取h=0.6m。本文采用ANSYS分析软件进行建模研究有如下假设：

(1) 不考虑支护结构开挖和降水对土体性质的影响。

(2) 不考虑土的流变影响。

(3) 不考虑地下水的影响。

(4) 支护结构采用线弹性模型。

(5) 土体为均匀、各向同性的弹塑性材料，土体应力场与温度无关。

支护结构采用shell43单元来模拟，基坑底面以上土压力为作用在挡土结构上的面荷载，基坑以下的土压力用弹簧单元模拟。ANSYS模拟基坑开挖的具体实现步骤为：

(1) 建立整个支护结构模型及模拟土体作用的土弹簧单元。

(2) 逐层杀死土弹簧单元和施加锚杆力，模拟开挖和支撑施工。

有限元工况过程如下表：

表1有限元工况过程

计算荷载步 工况

Step1 基坑开挖至-2m处

Step2 基坑开挖至-4.5m处

Step3 施加第一层锚杆

Step4 基坑开挖至-7m处

Step5 施加第二层锚杆

计算结果及分析

各工况下的基坑支护结构X方向的位移云图如下：

图1Step1基坑X向位移云图

图2Step2基坑X向位移云图

图3Step3基坑X向位移云图

图4Step4基坑X向位移云图

图5Step5基坑X向位移云图

从上图可以看出，基坑进行第一步开挖时，坑顶水平位移很小，只有3mm。随着基坑的继续开挖，坑顶水平位移逐渐增大，开挖至-4.5m时，坑顶水平位移达到11mm。在施工第一道预应力锚杆后，坑顶水平位移得到控制，为9mm。随后基坑继续向下施工，坑顶水平位移增至23mm。随着第二道预应力锚杆的施工，坑顶位移被控制在22mm。

由云图可知：

(1) 坑顶水平位移随着基坑的开挖逐渐增大，预应力锚杆可以很好的控制基坑变形。

(2)从距离基坑中部到基坑角部，桩顶水平位移逐渐变小。这是因为相邻墙体的空间约束作用，且这种作用在坑角处最大。

各工况下的基坑支护结构的应力云图如下：

图6Step1基坑Mises应力云图

图7 Step2基坑Mises应力云图

图8Step3基坑Mises应力云图

图9Step4基坑Mises应力云图

图10Step5基坑Mises应力云图

从上图可以看出，随着基坑的开挖，支护结构的应力逐渐增大。在基坑中部，支护结构的Z向应力最大。在基坑的角部，有应力集中的现象。

结束语

(1) 基坑工程是一个空间问题，三维有限元模型可以有效的反映这一工程实际。本文利用ANSYS建立了考虑基坑空间效应的三维有限元模型，并模拟了土体的开挖和支护的形成，对基坑的空间性状进行了较系统的分析。研究了在基坑分步开挖过程中，支护结构的水平位移、压应力分布的情况。将空间效应的影响应用到支护结构设计中，可以适当减少支护结构的用量，从而降低成本，起到事半功倍的作用。

(2) 坑角效应是空间效应的一种，本文只是初步的分析了坑角效应产生的影响规律，今后可以采取多个基坑共同分析模拟比较的方法，对比坑角变形的影响规律。

(3) 有待做桩土相互作用的分析。桩土相互作用机理非常复杂性，要获得解析解是十分困难的，所以利用非线性有限元法对该问题进行数值分析是非常必要的。但ANSYS软件在应用于岩土工程领域时，对岩土等颗粒性材料，其程序内部仅提供了近似Drucker-Prager材料模型，这是一种理想的弹塑性模型，不能够很好地反映岩土材料的非线性本构关系，ANSYS软件尚无国内岩土工程领域中广泛采用的反映岩土材料的非线性本构关系的Duncan-Chang模型。这一缺憾，无疑使ANSYS软件在土工有限元分析问题中的应用范围和适用性受到了局限。期待今后进行ANSYS的二次开发，导入Duncan-Chang非线性本构模型来模拟桩土相互作用，从而使得数值模拟更加贴近实际。

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