有限元与优化设计的关系【某深基坑优化设计与有限元模拟分析】

　　 [摘 要] 某下穿通道深基坑工程，在常规基坑支护设计的基础上进行优化设计和方案对比分析，优化后的“SMW工法+预应力锚桩”支护方案代替传统的内支撑方案，对其进行内力和变形计算，并利用有限元软件进行模拟分析，和实际施工中位移和变形的监测值进行对比验证，得知优化后的基坑支护方案是技术可行的，采用优化后的方案降低了工程造价，方便施工，缩短了工期，取得了良好的经济效益和综合效益。本文的基坑优化设计方案对于类似工程的基坑支护有一定的指导意义。
　　[关键词] 深基坑 优化设计 SMW工法 锚桩 有限元
　　
　　0.引言
　　随着我国城市建设的不断发展，建设规模的不断扩大，深基坑工程越来越多的涌现，采用预应力锚桩支护技术代替传统的内支撑方案，能够边开挖边支护并且可以为主体结构的施工提供比较大的空间。这种支护形式具有造价低，工期比较短，施工速度快，不需要拆除支撑等优点已经越开越广泛的应用到了实际深基坑支护工程中。
　　1.基坑工程概况
　　该基坑位于昆明市呈贡新城园塘路，基坑场地位于呈贡新区吴家营片区和雨花片区西侧，东侧毗临新昆洛高速公路，本次基坑围护主要是针对南中央大道和北中央大道（K0+490――K0+900）下穿通道的基坑围护。该基坑平面呈狭长形，宽约25m，总长共计410m，基坑面积约10250m2。基坑开挖深度4.60m――15.73m，变化幅度很大，需要根据基坑开挖深度进行分段支护。本基坑安全等级为一级。
　　2.场地的工程地质条件
　　2.1 地形地貌
　　本工程场地位于呈贡新区吴家营片区和雨花片区西侧，东侧毗临新昆洛高速公路。本基坑工程周边环境如下：基坑东北侧离小塘子水库最近约15m；基坑西南侧离大塘子水库最近约40m；基坑坡顶边线距离水库边线较近，为防止水库的水从护坡面渗流到基坑内，需要对基坑侧壁采取有效的止水措施。
　　2.2 地层结构
　　根据场地工程地质勘察资料，本工程基坑工程深度范围内，地基土简述如下：
　　①素填土：褐、褐黄色，稍湿，以可～硬塑状态的粘性土为主，结构松散。
　　②粉质粘土：褐黄、黄夹红、黄夹灰，稍湿，硬塑～坚硬状态，局部可塑，中偏高压缩性，含少量强风化砂岩砾石。
　　③粉质粘土：灰、兰灰、浅兰灰色，湿，硬～可塑状态，中等压缩性，层间夹泥炭质土、粉土、圆砾层透镜体。
　　④粘土：褐红，浅红，红夹黄色，稍湿～湿，硬塑状态，中等压缩性，局部夹薄层粉土层。
　　⑤全风化泥质砂岩：褐黄、黄、黄夹灰、灰白等色，稍湿，多数已风化成土状、粉土粉砂状，遇水容易软化。
　　⑥强风化泥质砂岩：黄、黄褐、紫红、浅红、紫等色，稍湿，坚硬，碎裂状结构，节理裂隙强发育，岩芯呈角砾状、块状。
　　2.3 水文地质条件
　　本工程区域水文地质条件简单，地下水类型为砂类土、粘性土层中的上层滞水和孔隙潜水，富水性弱，地下水稳定水位在地表下约1.2～4.8米间，主要靠大气降水及小塘子水库水体的侧渗补给，初步判定地下水对砼无腐蚀性。
　　3.基坑围护方案分析选型以及优化设计
　　围护结构的设计，不仅关系到基坑开挖及周边保护建（构）筑物的安全，而且直接影响着土方开挖以及地下室结构施工等施工成本。基坑支护结构是个系统工程，不仅要保证受力合理，还要保证基坑开挖侧壁的安全，然后尽量节省造价，过于安全但太浪费的方案也不符合市场需求；最后考虑施工的方便性，施工的方便性可以在施工中节省工期、降低施工造价。
　　3.1 基坑围护方案对比分析
　　本基坑大部分开挖深度11m左右，局部较深15.73m。根据工程经验，可供选择的支护体系有：常规的钻孔灌注桩+内支撑、SMW工法+内支撑、SMW工法+预应力锚桩等支护体系。针对以上提出的支护方案，从施工技术、工程造价和工期几方面进行对比分析：
　　（1）灌注桩+混凝土内支撑：
　　优点：1、钢筋混凝土围护结构刚度较大，围护结构及周边环境变形控制好；2、系统安全系数比较高。
　　缺点：1、混凝土内支撑前期浇筑和后期拆除不方便，需要养护时间长。2、工期长，造价高。
　　适用性：不适用。
　　（2）SMW工法+钢支撑：
　　优点：1、钢筋混凝土支护结构刚度较大，受力明确 ；2、钢支撑安装拆除方便快速，不需要养护时间，工期较快。
　　缺点：1、造价较高，工期较长。2、土方开挖较困难。3、钢支撑受温度影响较大。4、要拆撑换撑，工序复杂。
　　适用性：不宜采用
　　（3）SMW工法+预应力锚桩：
　　
　　图1 支护剖面示意图
　　优点：1、造价较为经济，在国内已经有大量应用；2、无内支撑，施工操作面大，方便土方开挖；3、工期较短，且钢绞线可回收。4、施加预应力，有利控制变形。
　　缺点：1、施工技术要求高。2、多道预应力锚桩施工时需与土方开挖相结合。
　　适用性：适用，与传统支护方案相比，可降低造价25%以上，且工期较短。
　　通过对比分析，在传统内支撑支护形式的基础上对该基坑支护方案进行优化后采用“SMW工法＋预应力锚桩”支护方案，围护结构方案选择K0+590～K0+760剖面段进行分析，该段基坑开挖深度约12.9～15.7m，采用了“SMW工法+四道预应力锚桩”和局部放坡的支护方式。SMW工法为3Φ850@1200三轴水泥土搅拌桩内插H700×300×13×24型钢，布置形式为密插。预应力锚桩采用Φ500@2000，长度L=15m，倾角为20°，内置3Φ15.2的预应力钢绞线。
　　3.2基坑围护方案内力及变形计算
　　根据工程实际情况，将基坑施工便道侧离基坑10m范围内取附加荷载30kPa，地面超载取15kPa无限均布荷载，地下水位按地表下1.5m计为初始条件进行计算分析，依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120 - 99）[1]，进行计算分析。计算分析的内容有： (1) 整体稳定性验算；(2) 坑底、墙底抗隆起验算；(3) 抗倾覆（踢脚）验算；(4) 围护结构变形[2]。
　　 根据软件计算分析可知，该基坑围护结构参数选择经过验算分析其整体稳定性，坑底墙底抗隆起验算以及围护结构的变形都满足规范要求，因而可知优化后的设计方案在技术上是安全可行的。
　　 4.有限元模拟计算分析
　　本文采用有限元软件对基坑支护结构进行模拟分析，选取基坑挖深最深的K0+590―K0+760剖面进行安全稳定性验算，按照1:1的实际尺寸进行建模，采取15节点的平面应变模型，通过有限元网格划分有322个单元，2706个节点。围护桩利用板单元模拟，锚索利用点对点锚杆和土工格栅进行模拟，点对点锚杆模拟自由段，土工格栅模拟锚固段，土钉与土体之间的粘结也利用土工格栅模拟，具体参数依照勘察指标进行提取[3-4]。考虑地下水作用，模拟得到最终工况的最大总位移为23.5mm。水平最大位移22mm，竖向最大位移16mm。围护桩水平最大位移为21.12mm。满足规范要求。
　　 为保证在实际施工过程中基坑的安全，对优化设计后的支护方案进行现场沉降和测斜跟踪监测。依据信息化施工可以及时快速的反馈基坑支护方案的支护效果，现场的基坑支护结构变形和周边环境的变形是监测和评价改进优化后的基坑支护方案的一个重要依据。
　　1）根据在实际施工过程中基坑侧壁监测点的测斜数据分析可知各个监测点的水平位移实测值在22mm以内，位移的速率控制在0.4mm/d的范围内，基坑开挖到底后基坑的最大侧向位移为22mm，位于地表下5~7m的位置处，沉降实测最大值为23mm。
　　2）优化后的“Smw工法桩+预应力锚桩”基坑支护方案，在保证基坑安全稳定的基础上，实现了施工方便，缩短了工期，降低了工程造价，该方案保证了基坑工程后续阶段的连续施工。是一种可推广应用的基坑支护优化新技术[5-6]。
　　5.结论与建议
　　本文通过对优化后的深基坑支护方案进行工程设计软件稳定性分析评价和有限元软件的模拟分析，并和实测数据进行对比验证，提出了一种改进优化的基坑支护新方案，为类似地区工程提出如下优化设计建议：
　　（1）预应力锚桩技术可以替代内支撑应用于深基坑支护工程中，但是施工技术要求高，应在施工中引起重视。
　　（2）SMW工法代替混凝土灌注桩是可行的，型钢可以回收，节省了工程造价，三轴搅拌桩可以止水，少了一道施工工序，缩短了工期。
　　（3）实际工程中根据工程特点和场地地质条件，选择合适的基坑支护方案，优化常规的基坑支护设计，可以取得较大的综合效益。
　　参考文献：
　　[1] JGJ 120-99 建筑基坑支护技术规程. 中国建筑工业出版社, 1999.
　　[2] YB9258-97 建筑基坑工程技术规范. 冶金工业出版社， 1998.
　　[3] 唐业清,王吉望,顾晓鲁,李虹.建筑基坑工程技术规范（YB9258-97）介绍[J]. 施工技术 1999,28（1）.
　　[4] 钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算(第二版) [M]. 中国水利水电出版社, 1996.
　　[5] 刘建航等.基坑工程手册[M].中国建筑工业出社,1997.
　　[6] 赵志缙,应惠清. 简明深基坑工程设计施工手册[M]. 中国建筑工业出版社, 2000.
　　作者简介：
　　陈昌爱(1984- )，女，河南郑州人，硕士，讲师，主要从事计算机软件分析和实际应用等方面的研究与教学工作。

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