徐州某基坑SMW工法支护体系数值模拟及分析

能源技术与管理　１５４　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—９９４３．２０１５．０６．０５８　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　２０１５年第４０卷第６期　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．６　徐删某基坑ＳＭＷ工．去文护体系数值模拟及分析　王彦君　（江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州２２１００６）　［摘要］采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对徐州某ＳＭＷ工法支护的基坑开挖过程进行数值模　拟，建立了考虑内支撑作用、桩土接触、型钢一水泥土共同作用的有限元模型。模拟　了不同桩径、不同内支撑截面条件下桩身位移和内力的变化，总结了相应规律并提　出了优化建议。　［关键词］ＳＭＷ工法；内支撑；／Ｌ化；ＡＢＡＱＵＳ有限元模拟　［中图分类号］Ｐ６２８￣．３［文献标识码］Ｂ［文章编号］１６７２＿９９４３（２０１５）Ｏ６　１５４　３　１　２００　ｍｍ。搅拌桩长１５．０　ｍ，进入⑥层黏土层，型钢　长度１　５．７　ｍ，搅拌桩施工前①层杂填土基本挖除。　０　引　言　ＳＭＷ工法是基于深层搅拌桩施工方法发展　起来的一种新颖的基坑围护方式，于１９７６年在日　本问世，现占全日本地下连续墙的５０％左右。该　２有限元数值模型的建立　２．１本构模型的选取　工法现已在东南亚国家和美国、法国许多地方广　采用ＡＢＡＱＵＳ有限元模拟软件对ＳＭＷ工法　挡墙进行分析研究，使用扩展的Ｄ—Ｐ模型来模拟　土体和水泥土。由于土体是弹塑性模型，因此将　泛应用。近几年在我国上海、杭州、南京等地推广　非常迅速，受到广泛的欢迎口］。该工法在徐州地区　为首次使用，具有一定的实际意义。　１　工程概况　１．１　工程位置及周边环境　Ｄ—Ｐ模型与线弹性模型联合使用。所需的土体参　数为：弹性模量、摩擦角、剪胀角、泊松比、密度、粘　聚力。　２．２有限元模拟设置　２．２．１基本假设　该工程场地位于徐州市中山北路东侧、二环　北路以北、徐运新河以南，用地面积２２　５９２　ｍ　，拟　建立考虑空间效应、桩土接触和型钢水泥土　建住宅楼、综合楼、地下车库等。二层地下室，开挖　面积约１５　３００　ｍｚ，基坑周长６２７　ｍ，基坑尺寸约为　２３６　ｍ×６６　ｍ×９．５　ｍ。基坑东侧为５～７层居民　楼，碎石基础，南侧为６层混凝土框架结构居民　楼，碎石基础。西侧为中山北路，北侧为某公司中　山北路仓库。　１．２工程地质条件　接触的三维有限元计算模型；土体假定为弹塑性　材料，并用线性Ｄ—Ｐ模型模拟；由于降水在基坑　开挖前已经完成，故不考虑渗流的影响。　２．２．２模型的建立　模型段选取基坑长边中部空间效应较小的部　位，根据一般的工程经验，开挖基坑的影响深度为　基坑深度的２　３倍，影响宽度为基坑深度的２～４　倍　。为更好地模拟支撑效应，模型的尺寸及简化　如下：①桩体的高度为１５　ｍ且底端位移为零，因　此认为桩底以下土体不受影响并设置模型高度为　１５　１１３。开挖引起的坑外土体影响范围取２倍开挖　深度，即１９　ｍ；坑内的开挖土体取１．５倍开挖深　度，即１４　ｍ。因此模型中的开挖尺寸定为１４　ｍ　ｘ　９．５ｍ×２．４ｍ，模型总尺寸定为３３ｍ×１５ｍ×２．４ｍ。　其中，由于横撑由６道组合槽钢构成，其作用范围　内约有２４根水泥土桩，因此模型厚度取一道槽　钢平均作用范围内的４根水泥土桩搭接长度，即　控制深度内土（岩）层为：①层杂填土、②层粉　土、③层黏土、④层粉土、⑤层黏土、⑥层黏土、⑦　层粉质粘土、⑧层含砂礓粘土、⑨层强风化页岩。　①～⑤层工程地质性质一般，⑥～⑨层工程地质性　质较好。　１．３基坑支护方式　该工程采用ＳＭＷ工法挡墙支护结构，ＳＭＷ　桩的桩径为　８５０　ｍｍ，搭接长度为２５０　ｍｍ，型钢　的布置方式为“插一隔一”方式，Ｈ型钢的截面尺　寸为Ｈ７００×３００　ｍｍ×１３　ｍｍ×２４　ｍｍ，轴线间隔　２０１５年１２月　Ｄｅｃ．，２０１５　王彦君徐州某基坑ＳＭＷ工法支护体系数值模拟及分析　１５５　２．４　ｉｎ。②为方便划分网格及考虑到空间作用，将　对应的一组槽型钢支撑用横截面为２．４　Ｉｎ　ｘ　０．５　ｉｎ　的梁代替，梁长１３　ｍ。③将插入水泥土的Ｈ型钢　简化为同抗弯刚度同材料的圆截面钢柱，截面直　径为０．３８４　Ｉｎ。④由于水泥土挡墙的变形较小，因　此将其与土体、型钢的接触面假设为无滑动。⑤模　型的边界条件为：左右两侧的　方向的位移，　前后两侧Ｙ方向的位移，模型底部三向　位移，顶面自由。　２．２．３各种材料参数设置　土体采用Ｄ—Ｐ模型联合线弹性模型，具体参　数如表１所示。型钢采用线弹性模型。其参数为：　密度７　８００　ｋｇ／ｍ　，泊松比０．３，弹性模量２００　ＧＰａ。　ＳＭＷ工法桩体采用线弹性模型，具体参数如表２　所示。　表１【ｕ／漤　牛　各土层参数　４　２　Ｏ　８　６　４　２　０　序号　名称　，（　，）压篇　内　角涫松比　３计算结果分析　３．１　ＳＭＷ挡墙水平位移分析　考虑到实际工程中基坑周边放坡，桩后土体　高度位于距水泥土桩顶端１．２　ｍ处，因此将距桩　顶１．２　ｍ处的桩体水平位移作为基坑边界水平位　移。从开挖后挡墙水平位移场、应力场云图可以看　出，水泥土桩体的变形特征完全符合实际。　由于水泥土为脆性材料，其强度符合第一强　度理论，即最大主应力理论；型钢为弹塑性材料，　其强度符合第四强度理论，即米塞斯应力理论。从　上图可以看出，两种应力场分布特征均符合实际。　３．２　ＳＭＷ挡墙水泥土桩径影响分析　３．２．１　不同桩径下挡墙水平位移　对桩径分别为０．６　ｉｎ、０．７　１３１、０．８５　Ｉｎ、１　ｍ时桩　体的水平位移规律进行研究，如图１所示。　图１不同桩径水平位移　由图１可以看出，由于桩径越大刚度越大，因　此水平位移曲线较为平缓，最大水平位移和桩顶　位移也相对较小；最大水平位移点都距离桩顶４　ＩＴＩ　左右；在支撑部位以及嵌入部位出现明显的拐点。　桩径为１　ｉｎ和０．６　Ｉｌｌ时的最大位移差为１．４４　ｍｍ，　差值较小，可见此次工程中桩径增大对于最大水　平位移的控制不是特别明显。Ｏ　Ｏ　０　Ｏ　０　Ｏ　０　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　拗　　ｍ　３．２．２不同桩径下挡墙Ｍｉｓｅｓ应力　由于水泥土采用Ｄ—Ｐ模型，因此对不同桩径　下挡墙Ｍｉｓｅｓ应力进行对比分析，如图２所示。　，　一０．７　ｎｌ＋１．０ｍ　．，．　Ｉ　４　６—８　１０　１２　１４　１　潮　图２不Ｉ司桩Ｍｉｓｅｓ应力值对比　由图２可知，在嵌固端以上随着桩径的增大，　挡墙的最大主应力将明显升高，桩径为１　ｍ和　０．６　ｍ时的最大主应力相差近２０倍；在嵌固端以　下桩体的三个主应力均为负值，表现为三向受压　状态，不同桩径的Ｍｉｓｅｓ应力曲线基本保持一致。　由于水泥土的抗拉极限远小于抗压极限，在承受　一定的拉应力下有可能开裂导致受压区减小，从　而引起更大的水平位移。　３．２．３不同桩径下的支撑轴力　不同桩径支撑轴力的分析如图３所示。　互２８０『　ｊ　２６０Ｉ—————————・———一…一一　一～———・　罨２４０Ｌ………～…一……　……一…一…　　・６００　７０（）８０（】　９００　ｌ００（）　机饪／ｉｎｎｌ　图３不同桩径支撑轴力　能源技术与管理　１　５６　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　２０１５年第４０卷第６期　Ｖｏ１．４Ｏ　Ｎｏ．６　由图３可以看出，不同的桩径下钢支撑的轴　力基本保持在２５８　ｋＮ，可见水泥土刚度的增减对　于支撑轴力并无影响。其原因在于，支撑的作用主　要为“抵消”桩体的水平位移，水泥土刚度大，自身　变形就相对较小。　３．２．４桩径优化　上述分析可以看出随着桩径的增大，最大水　平位移有所减小，最大主应力明显增大。考虑到安　全适用性以及经济合理性，对本次基坑工程支护　桩径提出优化建议，数据如表３所示。　表３数据整理　桩径／ｍｍ　６００　７００　８５０　１　０００　最大水平位移／ｍｍ　１４．９７　１４．５５　１４．０３　１３．５３　增长率／％　９．６　６．３　２．８　０　最大主应力／ｋＰａ　１９．３８　３６．１７　１１１．３９　２１０－３１　下降率／％　９Ｏ一８２．８　４７．０　０　由表３可看出，同一桩径下最大主应力下降　率远大于最大水平位移增长率，因此在满足变形　要求以及止水要求的前提下，应尽量使桩径减小，　这样不仅可以大大减少桩体水泥土受拉裂缝，而　且能提高经济效益。　３．３　ＳＭＷ挡墙支撑截面影响分析　３．３．１不同支撑截面下挡墙的水平位移　选取不同大小截面的组合型钢支撑进行挡墙　水平位移分析，为方便分析和软件的使用，对ＥＡ　采用无量纲化和归一化的方法（下同）。假设支撑　截面的实际抗压刚度１，保持其余参数不变并在　此基础上令ＥＡ分别为０．６、０．８、１．０、１．２进行对　比，对比数据如表４所示。　表４数据整理　支撑截面抗压刚度ＥＡ　０．６　０．８　１．０　１．２　最大水平位移／ｒｕｍ　１６　２　１４．９　１４．０　１３．４　下降率　０　８．０　１３．６　１７．３　桩顶水平位移／ｒａｍ　１３．４　１１．３５　９．７６　８．６　下降率／％０　１５．３　２７．２　３６．１　由表４对比可见，支撑截面越小，挡墙水平位　移值越大，且越接近顶端位移差值越明显。当　ＥＡ：０．６时，桩体最大水平位移为１６．２ｍｍ，桩顶水　平位移为１３．４　ｍｍ；当ＥＡ＝１．２时，桩体最大水平　位移为１３．４　ｍｍ，下降约１７＿３％，桩顶水平位移为　８．６　ｍｍ，下降约３６．１％。由此可以看出，增大支撑　的横截面积可以有效控制桩顶位移。　３．３．２不同支撑截面下支撑轴力　选取不同大小截面的组合型钢支撑进行支撑　轴力分析，假设支撑截面的实际抗压刚度　＝ｌ，　保持其余参数不变，并在此基础上令ＥＡ分别为　０．６、０．８、１．０、１．２进行对比，如表５所示。　表５数据整理表　支撑截面抗压刚度ＥＡ　０．６　０．８　１．０　１．２　轴力／ｋＮ　２１６　２３９　２５６　２６８　应力／ｋＰａ　３００　２５０　２１４　１８６　如表５可以看出，随着支撑截面的增大，所受　轴力也相对增大，但增幅略微降低。当ＥＡ＝０．６时，　轴力为２１６　ｋＮ；当ＥＡ＝１．２时，轴力为２６８　ｋＮ，增　长约２４．１％。较大的轴力不一定对应较大的应力。　随着支撑截面的增大，应力却相对减小，当ＥＡ＝　０．６时，应力为３００　ｋＰａ；当ＥＡ＝１．２时，应力为　１８６　ｋＰａ，降低３８％。由此可见，增大支撑截面不仅　可以有效控制挡墙的水平位移，还能提高支撑本　身的安全性，与增大桩径相比具有很高的安全效　益。　４结论　针对徐州某基坑工程ＳＭＷ支护结构，利用　ＡＢＡＱＵＳ有限元软件进行三维模拟计算及分析，　主要讨论了不同桩径、不同支撑截面条件下支护　体系的稳定性响应，主要结果为：①建立了模拟　ＳＭＷ支护体系的三维模型，验证了所建模型对于　徐州某基坑支护工程的适用性；②对比分析了不　同桩径下墙体水平位移及最大主应力的变化特　征，依据最大水平位移增长率和最大主应力下降　率提出桩径优化建议，即在符合变形要求和止水　功能的前提下，合理减小桩径，提高经济效益；③　对比分析了不同支撑截面下墙体水平位移以及支　撑应力的变化特征，增加支撑截面可以有效减小　挡墙水平位移，降低支撑自身应力，提高基坑稳定　性。　［参考文献］　［１］史佩栋．ＳＭＷ工法地下连续墙［Ｊ］．施工技术，１９９５，５　（２）：５２—５３．　［２］杨桂通．弹塑性力学引论［Ｍ］．北京：清华大学出版社，　２００４．　［作者简介］　王彦君（１９７１一），女，高级工程师，硕士，现从事建筑材　料、岩土检测工作。　『收稿日期：２０１５－０８—１８］