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基坑开挖数值模拟法

363 2021-07-13 10:30:34

由于等值梁法和弹性支点法等都不能有效地记录基坑开挖时支护结构及支撑内力的变化过程,采用这些方法得到的结果用于多道支撑的深基坑支护结构分析时内力与实际情况的误差比较大。而随着计算机技术的飞速发展,有限元法在 20世纪 50年代出现,从 20世纪 70 年代开始应用于基坑工程领域并且取得了很好的成果。

极限平衡法仅考虑钢板桩本身的受力状态,故只能计算其内力,变形则无法得到;竖向弹性地基梁虽然考虑了桩土相互作用,可以计算得出钢板桩的变形和内力,但不能计算分析开挖引起的周边土体的变形。且在计算中假设支撑系统为弹性支座,未考虑支护结构与支撑系统的协调作用。

连续介质有限元法是一种模拟基坑开挖问题的有效方法,它能考虑复杂的因素如土层的分层情况和支撑系统、土的性质、支护结构设计及土层开挖等。Clough首次采用有限元方法分析基坑开挖后,经过三十多年的发展,该方法已成为复杂基坑设计中非常实用的一种方法。基坑开挖是土与结构共同作用的复杂过程,对土体介质本构模型的模拟是考虑土体与支护结构共同作用方法的关键。虽然目前土体的本构模型种类较多,但常用的仍只有如下几类∶ 弹性模型、摩尔库伦模型、Duncan-Chang 模型、修正剑桥模型、Drucker-Prager 模型等。

桩撑支护结构的数值模拟方法通常采用有限元法和有限差分法进行分析,依据不同的影响因素可将其分为一维杆系、二维平面和三维空间模型。支护结构的杆系有限元分析通常把支护结构作为杆件,即在弹性地基梁的基础上,土体及支撑对支护结构的约束均可简化为弹性支座。连续介质有限元法包括平面和三维方法,平面有限元法适用于分析狭长型基坑,如地铁车站等。平面有限元分析中常用的单元类型有平面应变单元、梁单元、杆件单元及接触面单元。平面应变单元一般用来模拟基坑开挖中的土体,也可模拟基坑的挡土结构∶基坑中的用护结构如地下连续墙等板式结构需承受变矩,可用梁单元模拟;杆件单元一般用来模拟支撑、锚杆等只能承受轴向力的构件;接触面单元则处理考虑连续墙与土体的界面接触问题。

平面有限元法,在分析一般工程应用上,其结果均较合理,但对于靠近基坑角部的断面或基坑短边的断面,支护结构的变形和地表沉降则具有明显空间效应。此时若仍采用平面有限元法,则会明显高估支护结构的变形及地表沉降。

因此,在深基坑支护结构工程中,需考虑支护桩、支撑和土体相互作用形成的空间效应,一般可采用三维有限元分析模型进行模拟。三维有限元分析时应力包括全部六个分量,且土体需采用三维六面体单元或四面体单元等;支护结构可采用板单元,立柱与支撑等需采用三维梁单元进行模拟。

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