基于邓肯张模型的基坑开挖数值分析
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摘要：双排桩式围护结构以其各方面突出的优越性已成为目前应用较为广泛的深基坑支护形式。与单排桩相比施工简单、成本相近、节约工期，在砂性或粘性土地区，当坑深大于10m时应考虑使用双排桩围护结构。本文基于Duncan-Chang模型，通过数值模拟的方法研究了开挖深度对变形及内力的影响分析。得到的规律对双排桩围护结构的施工有一定的指导意义。
关键词：基坑；Duncan-Chang模型；数值模拟；工程应用；
中图分类号： TV551.4 文献标识码： A 文章编号：
引言：
随着我国的建设事业蓬勃发展，土地资源也日益紧张，高层和超高层建筑逐渐成为城市建筑的主流，多层的地下建筑也日趋增多，对基坑工程的技术要求显著提高。高层建筑多建在城市中心区域，因施工场地局限，基坑施工简单放坡较难实现，只能做成陡坡或者垂直坑壁，因此必须依靠围护结构固定坑壁，保证坑内的正常安全作业。围护结构作为基坑的重要组成部分，其设计和施工成为基坑工程的关键。[1~2]目前，基坑工程的设计施工仍以经验指导实践为主，但是理论研究相对滞后，尚未形成统一的设计施工规范，因基坑围护结构失效造成的严重事故时有发生，造成人员伤亡和经济损失。因此，亟待进行更多理论研究、模型测试和工程监测，为基坑工程提供统一完善的理论支撑，保证基坑工程施工安全和经济高效。[3~4]
1 双排桩围护结构
双排桩式围护结构以其各方面突出的优越性已成为目前应用较为广泛的深基坑支护形式，在砂性或粘性土地区，当坑深大于10m时应考虑使用双排桩围护结构，与单排桩相比施工简单、成本相近、节约工期。单排桩在总桩数不变的前提下，以2倍桩距将桩分成两排，前后对齐或错开，桩顶用宽度等于排距的圈梁相连即成为双排桩围护结构。横剖面相当于门式钢架，侧向刚度很大横向剖面可以视为门式钢架，如图1所示。
（a）三维视图 （b）梅花式排桩
图1双排桩构造示意图
2.1 计算假定
（1）有限元的分析区域不可能为无穷大，根据圣维南原理，基坑工程的影响范围是有限的， 因此设定在足够大范围之外土体的变形和内力变化均为零。
（2）土体为各向同性均匀介质。
（3）土体的本构模型取为Duncan-Chang非线性弹性模型。
2.2工程概况
基坑：水平尺寸为，深度H=9m。土体：Duncan-Chang模型，重度,， 。排桩：桩长18m，桩径d=0.8m，桩距L=2m，排距D=2.4m。圈梁：梁高，梁的长度与排距相同2.4m。开挖步骤：先插入排桩，设置圈梁，然后分三步开挖，每步开挖3m。
2.3模型的建立
图2为基本算例模型二维和三维结构图，由于刚性结构的角点或边界会有突变，可能引起应力和应变的集中，这将导致应力的非物理震荡，因此在桩底处设置界面扩展，可有效地增加有限元网格的柔性，防止非物理的应力结果。图2为模型的网格划分，在围护结构附近采用局部优化。
图2 基本算例基坑模型
3 开挖深度对变形及内力的影响分析
由基本算例按照分步开挖计算所得的双排桩围护结构随深度变化的位移与弯矩曲线如下：
图3 排桩水平位移随开挖深度的变化曲线
由图3可以看出，随着开挖深度的增加，桩体的水平位移逐渐增大，且分步水平位移增量也逐渐增大。前后排桩的最大水平位移都发生在桩顶，且位移量相同，这是由于圈梁的联系，前后排桩的变形具有协调性。前排桩在桩顶范围内水平位移趋于平均，这是由于前排桩受到后排桩的拉结作用，限制了前排桩桩顶位移的进一步发展。后排桩的水平位移比前排桩稍小，这是由于桩间土对后排桩产生土压力，可以与桩后的主动土压力抵消一部分，使后排桩所受总压力减小，从而后排桩的水平位移量也减小了。
4 结论
本文基于Duncan-Chang模型基本原理，主要从数值模拟的角度对开挖深度对变形及内力的影响进行了分析。得到如下结论，随着开挖深度的增加，桩体的水平位移逐渐增大，且分步水平位移增量也逐渐增大。前后排桩的最大水平位移都发生在桩顶，且位移量相同，后排桩的水平位移比前排桩稍小。
参考文献：
Matt Schuster, C Hsein Juang. Reliability assessment of damage potential of buildings caused by excavation[C]. International Foundation Congress and Equipment Expo, 2009, ASCE, 286-291.
娄奕红，俞三溥，王秉勇．基坑支护结构内力变形动态分析[J]．岩石力学与工程学报，2003，22(3)：462~466．
郑颖人，孔亮．岩土塑性力学[M]．北京，中国建筑工业出版社，2010．
[] 宰金珉，王旭东．基坑开挖水泥土挡墙变形的有限元分析[C]．基坑开挖中的岩土工程问题学术讨论会论文集，1992．