HS模型在基坑开挖模拟中的应用.pdf

第 3 O卷第 6期 石油工程建设 1 9 杨毅秋，严 驰，袁中立2 (1 天津大学建工学院，天津 3 0 0 0 7 2；2 中国石油集团工程技术研究院，天津塘沽3 0 0 4 5 1)摘要：以天津国际贸易中心基坑工程为例，采用 H a r d e n i n g S o i l 模型对基坑开挖过程进行数值 模拟。为更好地模拟开挖过程中支护结构的时空效应，采用有限元分步计算围护变形和基底隆起 及 整体稳 定性，并 与实测值进 行对 比分析。结果表 明，地 下连续墙体前、后 土压 力 实测值 与有限 元计 算结果吻合 较好，用 H a r d e n i n g S o i l 模 型计算的基底 回弹变形量 与现 场 实测值 比较接近。关键词：基坑 工程；基坑 支护；HS模 型；土压力；回弹量；计 算 中图分类号：T U 4 7 0 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 1 2 2 0 6(2 0 0 4)0 6 0 0 1 9 0 4 O 引言 随着我 国城市高层建筑 的大量兴建，深基坑 开挖支护工程以其诸多成功和失败的经验教训备 受岩土工程界、建筑界及开发商 的关 注。从一定 程 度上 说，深 基坑 支 护工 程 是一 项 复 杂 的系 统工 程，它几乎涉及到岩 土力学与工程 的各个方面。如土力学、工程地质学、水文地质学、结构力学 以及监理、监测、施工方法等领域。目前应用 比 较成熟的支护结构型式大体可分为悬臂式、内撑 式、锚拉式和逆作式支护结构。其中逆作式支护 结构为分层开挖，分层构筑各层楼板，从根本上 改善 了传统开挖法的护坡受力状态，而且分层降 水，边开挖边构筑护坡墙，有利于基坑隔水，防 止了降水对邻近建筑物的影响。支 护结 构 的种 类 将 随着 深基 支 护 结 构技 术 的 发 展 而不 断发 展。一 方 面新 型 的支 护 结构、施工 方法还在实践 中不断探索，另一方面各种结构复 合使用、组合使用的方法也会在实际工程 中大量 采用，以满足 日益复杂的地下工程的需要【11。1 基坑支护体系的内力计算 深基坑支护结构的设计计算包括外力(土压力 及地面超载)和支护结构内力、弯矩的计算以及整 体稳定性、地基 承载力、桩顶位移等验算，对于 高水位地层，尚需进行地下水处理、抗管涌的设 计计算2 1。基坑支护体系的内力计算方法大致可分为常 规设计法、弹性抗力法和有限元方法三类。从原理上说，常规设计方法无法解决的问题 在有限元方法中都可不同程度地得到解决。用有 限元方法正确计算 的关键是要选用合适的计算模 型和参数，以及如何定义安全系数，并与常规设 计方法计算的安全系数相匹配31。在基坑开挖模拟 中，选择合适 的模型至关重 要。土体的加、卸荷模量不 同，对于开挖来说，由卸荷产生的基坑隆起是有限的，大部分隆起变 形是 由地下连续墙体(简称地连墙)的水平移动 造成的。而理想的弹塑性模型显然不能满足要求。本次计算采用了 H a r d e n i n g S o i l 模型，简称 H S模 型(由 S c h a n z 于 1 9 9 8年提 出)，当对土体施加偏 应力(一 )时，土体表现出刚度下降，产生塑 性应变。在固结排水试验中竖向应变(一 e )和偏 应力(一 0 3)的关 系可 以近似 用双 曲线 拟合(见 图 1)，这 种关系最 早 由 K o n d n e r(1 9 6 3年)提 出，之后被著名的 D u n c a n&C h a n g(1 9 7 0年)采用。HS模型在 D u n c a n&C h a n g模型 的基 础上 采用 了塑 性理论，同时考虑了土的膨胀和压缩屈服面(见 图 2)。卸荷模量 E 与回弹指数 14,之间的关系：E：一3 p(1-2 v)(1+e o)一 f】)1 4,、式中p 卸荷模量参考压力；卸荷泊松比；e 初始孔 隙 比。在 固结 排水 试验 中，竖 向应 变(一 s )和偏 应 力 的关 系表示为：￥羊￥；维普资讯 http:/ 2 0 石油工程建设 2 O o 4年 1 2月 l o r l 一-1 l 而(当 一 (一 )，时)(2)式 中 广固结排水试验得 出的割线模量，即 偏 应力 达 到 5 0 时 所得 到 的割线 模 量；(o r。一 )一-偏应力渐近线值；(o r 1一 o 5)厂偏应力破坏线值。(ro3)(叮 广叮 3)，b b-R 褒 竖向应变(一 )图 1 固结排水 试验 的应 力一 应变关 系 2 工程概况 天津 国际贸易 中心位于天津市南 京路与马场 道交口处，分主塔楼和副塔楼及裙房三部分，拟建 主楼地面以上 6 0 层，高 2 1 8 m，采用钢结构一框架 支撑加钢臂结构，钢管混凝土柱，柱网距 9 m x 9 m，单柱荷重约 6 8 0 4 0 k N，基底压力约 8 7 5 k P a，副塔 楼为 2 8层住宅楼及 8 层附楼，地下 3层，主塔楼 基 坑 深度 为一 1 5 3 m，副 塔 楼基 坑 深 度 为一 1 4 5 m。支护结构为地连墙加钢筋混凝土格构式 内撑系统，地 连墙墙 体 宽 0 8 m，深 2 8 3 4 m，内撑 系统总 体 为对撑式桁架支撑，部分支撑型式为钢筋混凝土 对撑桁架加边桁架及角撑，竖 向分 2层，局部 3 层。首层支撑 中轴标高为一 2 3 0 0 m(同帽梁中轴标 高)，第 2层支撑 中轴标高为一 7 6 0 0 m，第 3层支 撑中轴标高为一 1 4 1 0 0 m。基坑开挖分两期进行，一期开挖主塔楼部分，自1 9 9 8年 5 月 2日开始；二期开挖副塔楼及裙房 部分，从 5月 1 3日开始。开挖 的施工顺序为先挖 土至一 7 6 m，作第 2 层支撑，然后主塔楼处开挖至 1 4 1 m，做第 3 层支撑。按照设计要求，我们对地 连墙 在开 挖 过程 中的变 形及 墙 前、后 的土压 力 进 行监测。在地连墙 中设置了 1 2孑 L 测斜管及 2个土 压力测试 断面，测点 布置见 图 3。8 7 图 3 磊 坑 平面布 置及 测点 布置不 意 由于 4 测 点 既有墙 身 变形 观测 点，又 有 土压 力 观测点，且 处 于基坑 中部，受 两 端边 界 的影 响 较小，故取 4 测点的监测值与理论计算结果相比 较。根据 工 程 实 际建 立 有 限元 模 型，采 用 平 面应 变分析 4 测孑 L 所 在断 面。土体采用 1 5节点三 角形 单元，两 侧 以半 无 限单 元模 拟 无 限远 处。土 体 与 地连墙体设置接触面，接触面采用 g o o d m a n单元。为模 拟 实 际 的施 工 过 程，将 开 挖 分成 5个 阶段，利用 单元 生 死进 行增 量 分析。地连 墙 主、被 动 土 压力和地连墙水平位移模拟结果见图46。吕 谴 尽 压力 k P a (a)土压力实测值与经典土压力计算值对 比 维普资讯 http:/ 第 3 0卷第 6期 杨毅秋等：H S模型在基坑开挖模拟中的应用 2l 链 匠 _ J 一 有效法向应力最大值一 3 5 0 5 2 k P a (b)H S模型得出的主、被动土压力分布及最大值 田 4 开挖至一 7 6m 时 土压 力 曲线 OO 1 0O 一邓肯一张模型 一 一：计 3 0 O L L L J J 一 lo 0 0 0 压力,k P a (a)土压力实测值与经典土压力计算值对 比 有 效法 向应力 最大 值-4 3 3 1 0 k P a (b)H S模型得出的主、被动土压力分布及最大值 田 5 开挖 完毕 后土压 力 曲线 曼 魁 聪 曼 魁 聪 位移 m(a)测孔挖土一 7 6 m时墙体水平位移 位 移 m (b)测孔墙体最终水平位移 圈 6 地连墙 水平 位移 从土压力分布图形来看，墙后土压力数值随墙 身变形的增大而逐渐减小，这是因为土压力从静止 状态到被动状态渐进变化的过程是与墙体变形与否 密切相关的。随开挖深度加大，墙体变形也逐渐增 大，作用于墙身前、后的土压力大小亦相应调整，主动侧土压力逐渐减小，被动侧逐步增大。从 图中 不难看出采用 H S模型的有限元计算值与实测值数 值接近，吻合得较好。高层建筑的基坑面积大、开挖深，对这类大规 模卸荷情况，如何准确预测坑底 回弹变形量，一直 为工程界所重视。因土不是纯弹性体，在不同应力 路径 下，其性质 变化有很大差异卅。图 7为 H S模型 计算的最终 回弹变形量，最大值出现在基坑中心，回弹量为 6 8 2 3 m m，现场实测最大回弹量为 5 4 6 mm，比较接 近。在计算整体稳定性时，利用有限元计算特点，采用“P h i C强度参数折减法”，减小黏滞力 c和 维普资讯 http:/ 石油工程建设 2 O 0 4年 1 2月 王燕群 1，李春润 2，张田利 2 (1 天津大学机械学院，天津 3 0 0 0 7 2；2 中国石油集团工程技术研究院，天津塘沽3 0 0 4 5 1)摘要：无缝钢管过 盈压接 工 艺是 近年 来发展 起 来的一 种 管道 连接技 术，具有 管道连 接施 工效 率 高、接 头 防腐性 能好 等优 点。压接过 程 的应 力分 析对 压接 工 艺设 备 的设 计和 了解接 头 的连接 强度具有重要作用，文章针对 D1 5 9 m m8 m m无缝钢管，利用弹塑性大变形有限元方法模拟了 无缝 钢管过 盈压接 工 艺的全过程，分析 了胀 口、退模、压接 过程 的应力和接 头 的连接 强度，得 到 了胀 口及 压接 所 需的轴 向推 力，给 出了压接 残余 应 力分 布和保 证接 头强度 所 需的 配合 长度，为压接设 备和接 头的设计提供 了依 据。关键词：无缝钢管；压接；有 限元 方法；数值模拟；应 力分析 中图分 类号：T B l l 5 文献标识码：B 文章 编号：1 0 0 1 2 2 0 6(2 O 0 4)0 6-0 0 2 2-0 3 无缝 钢 管过 盈 压 接是 近 年来 开 发 的管 道连 接 新技术，其基本原理是先将一根钢管的管端用模 具扩 孔，如 图 l所 示(图 中 尸 1 为胀 口所需 轴 向推 进力)，然后将此具有一定过盈量的 2根钢管的对 接端涂敷密封防腐胶后，按一定插接长度进行压 接 形成 接 头，如 图 2所示(图 中 为 过盈 压接 所 需轴向推进力)。接头内外管之间过盈配合产生的 粉质黏土 1 粉质黏土 2 粉 砂 粉质黏土 3 黏 土 粉质黏土 4 素填土 驴 接触压力使两管结合为一体，并可承担足够 的轴 向拉力。该方法施工效率高，特别是解决 了管道 连接处 的防腐层连续性问题，使管道的整体防腐 性能有 了极大提高，在油田集输管道工程 中具有 明显的优越性，受到广泛关注。但有关这方面的 研究还很少，扩孔、压接轴向推力和接头过盈量 大小等主要利用试验和经验性公式 1-2 确定，成本 粉 土、粉砂 竖向变形最大值 6 8 2 3 x l 0。m 图中各点回弹量(单位为 m m)如下 A：-4；B：0；C：4；D：8；E：1 6；F-2 4；C：3 2；H：3 6；h 4 0；4 8 K：6 0：7 2 图 7 基坑 最终 竖 向变形等 值线 图 摩擦角，直至得到结构极限破坏时 C、西临界值 与实际c、的比来计算安全系数，从分步计算的 结 果 来 看，挖 至一 1 4 1 I n时，安 全 系数 最 小，为 1 6 8，满 足整体稳定。3 结 论(1)在墙顶受支撑约束情况下，地连墙墙身 水 平位 移 曲线 为 两头 小、中间 大 的鼓 肚形，最 大 位移发生在 开挖 面附近。(2)H S模型适合分析黏性土受力，特别是对 因卸荷而产生的地基回弹量的计算 比较准确。(3)地连墙前、后土压力实测值与有限元计 算结果吻合较好。参考文献：赵锡鸿，陈志明，胡中雄，高层建筑深基坑围护工程的实践与分 析 M 上海：同济大学出版社，1 9 9 6 2 崔江余，梁仁旺，建筑基坑工程设计计算与施工 M 北京：中国 建筑工 业 出版社，1 9 9 9 3 Z h a o X H，L u R M，C h e n Z M e t a 1 N o n-l i n e a r s p a c e t h e o r y a n d m e t h o d a n d a p p l i c a t i o n i n d e e p e x c a v a t i o n e n g i n e e r i n g A P r o c l 5 t h I n t C 0 f l f o n S MG E C T u r k e y 2 0 0 1：1 3 8-1 4 1 【4 林有，胡中雄 深基坑卸荷 回弹问题的研究I J】岩土工程学报，2 0 0 2(1)：1 0 1 1 0 4 作者简介：杨毅秋(1 9 7 9 一)，男，天津人，硕 士研 究生 就读 于天 津大 学建 筑工程 学 院岩 土工程 专业。收稿日期：2 0 0 4 0 9 0 9；修回日期：2 0 0 4 1 0 2 5 羊 羊 羊 羊 羊 维普资讯 http:/