考虑空间几何尺寸对位移影响的深基坑数值模拟

摘要

随着城市建设不断地扩大及对地下空间的开发和利用,建(构)筑物基坑越来越深。在深基坑支护工程中,由于设计不合理,或施工不当,或自然灾害等原因,经常发生基坑垮塌、基坑周围建(构)筑物及路面塌陷或开裂等工程事故,直接影响建(构)筑物施工进度和工程造价,甚至危及人们的生命财产安全。因此,深基坑支护工程理论研究具有紧迫性和必要性。
　　 在深基坑工程中,基坑平面形状,开挖深度,周围环境与荷载条件,暴露时间长短,都对其受力与位移有重要的影响。
　　 目前,建筑基坑工程的设计原则采用以概率理论为基础的极限状态设计法,按照各种结构的特点和使用要求,给出极限状态方程和具体的限值,作为结构设计的依据。用结构的失效概率或可靠指标度量结构可靠度,在结构极限状态方程和结构可靠度之间以概率理论建立关系。在高层建筑越盖越高的今天,深基坑支护工程中对位移控制的要求也越来越高,建筑基坑工程的设计原则也正从“强度破坏极限状态”向着“位移控制极限状态”发展。“位移控制极限状态”是将应变和变形作为潜在破坏的最佳指标,把结构设计成在给定的应变和变形下达到某一个极限状态。然而“位移控制极限状态”的计算理论和方法的还不完善,室内模型试验受到试验仪器、研究手段及操作方法的限制,试验结果的可靠性较差。因此,“位移控制极限状态”的计算理论和方法研究具有重要的理论价值和实践意义。
　　 本文运用ABAQUS软件,对考虑空间几何尺寸影响的深基坑模型实验以及实际工程进行了数值模拟。得到了以下结论:
　　 1.对考虑空间几何尺寸影响的深基坑模型实验进行了数值模拟,得出了基坑开挖宽度和地下连续墙到最外侧固定边界的距离对地下连续墙墙顶位移影响的规律。
　　 2.对深基坑模型相对尺寸影响作了全面的计算分析,得到:在进行室内模型试验过程中,有两个方面需要综合考虑,一是要保证室内试验模型的尺寸不要太大,这样会造成试验难度增加,试验费用增加,并且还有可能造成试验资源的浪费:二是要保证室内模型试验能够清楚地观测到实验模型的变形,以保证更准确地分析模型的变形情况。通过这两个方面的对比分析得出模型的最佳比例尺寸应该是:B1/L1=1.5,B2/L2=3.0。
　　 3.对考虑空间几何尺寸影响的地下连续墙实际工程进行了数值模拟。通过分析得出:
　　 (1)随着模型的开挖宽度的减小,其墙顶水平位移的值也在减小,并且随着开挖宽度的减小,其墙顶水平位移的变化量在增大,这与室内模型试验数值模拟的对比分析结果是可以交互印证的。
　　 (2)主应力的最大的值都是集中在墙体的顶部和底部,在墙体的中间部分的主应力值相对较小,但是大于土体中的主应力值。
　　 (3)墙体变形以水平位移为主,开挖面内土体变形以隆起为主,开挖面外侧土体变形以沉降为主;土体水平位移的方向基本上都是向左的,也就是偏向开挖面中轴线的方向,并且在地下连续墙处最大。
　　 (4)通过分析坑底隆起曲线可以得出:在中轴线处有最大的隆起;随着距离中轴线的距离越来越大,隆起位移值越来越小,当到达地下连续墙处,隆起变形接近于0;但是隆起变形随着距离的增加而减小的速率不是常数,开始的时候隆起变形减小的速率很小,当到达3/5左右的时候,会发生一个突变,隆起减小的速率急剧的增加,当到达4/5的时候,又会发生一个突变,隆起减小的速率会发生更加剧烈的增加,一直持续到地下连续墙处。
　　 (5)通过分析开挖面外侧土体表面的沉降曲线可以得出:在地下连续墙墙顶处的沉降位移最小,接近于0;从墙顶处向外侧移动,沉降先是急剧的增加,在2m左右的地方达到最大值;然后在3m～8m的范围内振荡,最后达到稳定。