内支撑支护数值模拟
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[摘要]本文对不平衡荷载下基坑发生的变形进做出对比分析，找出支护桩左右两侧在受到外界变化荷载产生的位移规律。
[关键词]支护桩；数值模拟；外界荷载
中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号：
1引言
基坑支护设计主要考虑因素是周边环境情况。在实际工程中，由于周围施工机械、临时土堆和材料堆放等临时性荷载的影响产生基坑两侧的荷载不同，本论文主要对基坑周围满布荷载采用二维有限元模型进行计算分析。
2几何模型与参数的选取
设一基坑为矩形，纵向长度为100m，宽度为40m，开挖基坑支护的深度取lOm。支护结构采用直径为0.9m，间距为0.8m的灌注桩，桩深20m。采用两道支撑，第一道支撑采用的截面尺寸为0.6m×0.8m，第二道支撑采用的截面尺寸为0.8×0.9，支撑的水平间距取8m。桩和支撑材料均为C30的混凝土,土层分布及物理力学性质如下：
第1层土体为回填土，层厚为2m，弹性模量为10000kPa，泊松比为0.35，重度为18KN/，饱和重度为19 KN/，粘聚力为10 kPa，内摩擦角为25。
第2层土体为风化土，层厚为10m，弹性模量为50000kPa，泊松比为0.33，重度为19KN/，饱和重度为20 KN/，粘聚力为14kPa，内摩擦角为20。
第3层土体为风化岩，层厚为9m，弹性模量为150000kPa，泊松比为0.3，重度为20KN/，饱和重度为21 KN/，粘聚力为50kPa，内摩擦角为35。
3.1模型处理
(1)土的计算深度为基坑开挖深度的2.1倍，计算宽度为自开挖边界向外边取其开挖深度的2倍。
(2)边界条件：模型左右两边设置x方向的水平约束，模型底面设置水平向及垂直方向的约束。
（3）两边对称设置的建筑物的荷载取120kPa。
假定：基坑一边受到的外界荷载P1由15kPa逐渐增大到60kPa，另一边受到的外界荷载P2=15kPa一直为恒值。
3.2开挖工况
具体开挖工况为：
工况一，把第一层土体开挖到支撑底部，并用混凝土浇筑第一道支撑。
工况二，若第一道支撑的混凝土强度达到设计要求时，开始把第二层土体开挖到第二道支撑底面位置，并用混凝土浇筑第二道支撑。
工况三，若第二道支撑的混凝土强度达到设计要求时，把第三层土开挖至-10m。分别考虑(a)P1=P2=15kPa；(b)Pl=30kPa，P2=15kPa；(c)Pl=45kPa，P2=15kPa；(d)P1=60kPa，P2=15kPa四种情况下的基坑开挖。可以得出支护结构受不平衡荷载作用下产生的位移和内力在不同位置的变化情况。
3.3计算结果及分析
说明：S1为支护桩在受荷载P1作用下左侧最大水平位移，S2为支护桩在受荷载P2作用下右侧最大水平位移。
1、在工况一的情况下，基坑开挖到第一道支撑的底部位置时，支撑还没有受到外界力的作用。桩体在四种不同的外部荷载P1、P2组合下作用产生的水平位移，如图1所示。
由图1可以看出：
（1）在工况一的情况下，支撑没有受到力的作用时，桩顶的水平位移最大。
（2）左侧的支护结构所受的外荷载Pl为15kPa时，左侧支护桩桩身产生的最大水平位移Sl为5.79mm，当外荷载为60KPa时，S1为8.624mm；右侧支护结构所受的外荷载P2为15KPa保持不变，当P1为15KPa时，右侧桩身最大水平位移S2为5.79mm，当P2=60KPa时S2为5.694mm。对于左侧桩体，水平位移逐渐增大，变化幅度较大，右侧位移由于受到左侧荷载增大的影响而逐渐减小，但变化幅度不大。
（3）左侧桩身位移变化可以看出：靠近变化荷载的支护结构水平位移变化相对较大，所以设计基坑时，需要考虑周围荷载的影响，确保基坑在外力作用下保持安全状态。
2、在工况二的情况下，基坑开挖到第二道支撑底部的位置，第一道支撑开始受到力的作用。左侧桩体、右侧桩体在四种不同的外界荷载P1、P2组合下的水平位移，如图2所示。
由图2可以看出：
（1）工况二下，与工况一相比，桩身最大位移不大于为工况一的2倍。由此可以得出：悬臂开挖产生的水平方向的变形在基坑围护结构产生的总变形中所占的分量比较大。
（2）左侧支护桩体在受外界荷载P1为15kPa，左侧支护桩产生的最大水平位移S1为11.97mm，当受到的外界荷载P1达到60kPa，与之相对应的最大位移S1则由11.97mm逐渐增至15.49mm；右侧支护桩受到的外界荷载P2保持不变，右侧支护桩桩身的水平位移S2变化幅度仍然很小，其最大位移逐渐减小，主要原因是仍然受到左侧荷载增大的影响。
3、在工况三的情况下，支护桩在四种不同的外界荷载P1、P2组合下产生的的水平位移，如图3所示。
由图3可以看出：
（1）工况三和工况二最大位移比较可知，工况三支护桩的水平最大位移比工况二略小，原因是第二道支撑已经发挥作用，由两次开挖产生的最大位移结果分析知：两道支撑共同限制支护结构的水平位移。
（2）左侧支护桩在受到外界荷载P1为15kPa，左侧支护桩的最大水平位移S1为11．38mm，当受到的外界荷载达到60kPa，与之相对应的S1由11．58mm增大到15.16mm；右侧支护桩受到的外界荷载P2保持不变，当P1为15Kpa时，右侧支护桩的最大水平水平位移为11.38mm，当P1为60KPa时，右侧支护桩的最大水平位移为10.34mm，变化幅度约为10%。
4 结语
由数值模拟知：基坑开挖产生的最大位移不大于20mm，符合规范要求，说明内支撑和支护桩的截面设计符合实际工程，由于在支撑与支护桩之间的接触点会产生应力集中，我们在设计时，需要在接触点加一块板，防止应力集中的现象发生。
参考文献：
[1]龚晓南.关于基坑工程的几点思考[J].土木工程学报，2005,38（9）
[2]余志成，施文华.深基坑支护设计与施工[M].北京：中国建筑出版社，1997.