基于MIDAS水利工程基坑...支护结构位移与受力模拟研究_徐秀楠.pdf

：基基于于 水水利利工工程程基基坑坑开开挖挖支支护护结结构构位位移移与与受受力力模模拟拟研研究究徐秀楠（苏州市吴江区同里镇人民政府，江苏 苏州）摘要围护桩 锚杆 钢支撑的组合支护形式是常用的深基坑支护形式，本文结合苏州市吴江区某水利工程基坑工程，利用 数值模拟软件模拟基坑的开挖过程，研究结果如下：（）基坑土体的竖向位移不超过，从位移角度分析基坑的开挖是安全的。（）锚杆所受轴力远小于锚杆材料的极限受力，从锚杆所受轴力角度分析，基坑所选锚杆材料可靠。（）围护桩所受剪力没有发生应力集中现象，围护桩受力合理。以上研究方法可供类似的基坑开挖工程做参考。关键词围护桩；锚杆；轴力；剪应力；竖向位移中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介徐秀楠（），男，江苏苏州人，工程师，主要从事水利工程建设工作。前言苏州市吴江区位于江苏省最南端，北靠苏州市吴中区，东接上海市青浦区，南连浙江省嘉兴市和桐乡市，西临太湖。区内水系发达，湖泊众多，是传统的江南水乡地区。星罗棋布的河湖水系需要大量的水利工程来孕育蓬勃的经济社会。基坑工程作为水利工程的重要组成部分，因其能够大量利用地下空间而备受关注，对此学者们进行了一系列的研究。芮福才对咬合桩加固基坑进行了研究，研究结果表明：施加咬合桩后的基坑的位移控制在合理范围内，不会对临近桥墩造成安全隐患。吴起飞对不同施工顺序下的基坑开挖工程进行了研究，研究结果表明：合理的施工工序是保障基坑成功开挖的关键，且应当在基坑开挖过程中注重位移的监测。郑宇利用 对降水基坑进行了研究，研究结果表明：设计抽水井和降水帷幕能够有效的降低地下水位。陈建康等对基坑土体的回弹变形进行了研究，研究结果表明：坑底处土体的回弹变形模量对于基坑的沉降位移有较大影响，甚至可通过土体的回弹模量预测基坑的沉降位移。宋红红对富水区基坑开挖进行了研究，研究结果表明：落底式止水帷幕能够有效的降低降水对周围环境的影响。马玉飞等利用三维数值模拟对深基坑的开挖进行了研究，研究结果表明：排桩嵌固深度达到基坑深度约 倍时，排桩的支护效果明显。陈文祥等对两相邻基坑的同期施工进行了研究，研究结果表明：邻近基坑的开挖会导致土体位移的进一点扩大。谢潘想等对斜撑桩对基坑支护效果进行了研究，研究结果表明：不同排桩距和不同倾斜角的斜撑对基坑位移的影响不同。然而以上的研究对于基坑支护措施的受力方面的研究涉及较小，导致分析基坑开挖不够全面，对此本文结合一实际基坑开挖工程，利用 数值模拟软件对基坑开挖后的位移、支护的受力进行研究。工程概况 工程地质某水利工程位于苏州市吴江区同里镇，基坑工程场地内工程地质分别为耕土、粉土和粉质粘土。耕土杂色、松散，主要由耕土组成，夹植物根茎，土质差，层厚变化大。揭露厚度 ；粉土为灰黄色，硬塑，切面光滑有光泽反应，夹铁锰质结核，干强度中等、韧性中等，中压缩性，揭露厚度 ；粉质粘土为灰色、软塑，切面稍有光泽反应，干强度中等、韧性中等，中压缩性；揭露厚度 。结合以上基坑区域工程地质特性可将基坑区域分为风化土、风化岩和软岩。岩土体的物理力学性质如表 所示，风化土厚度为 ，风化岩厚度为 ，软岩厚度为 ，地下水位为地面以下 ，开挖基坑区域长 宽 高分别为 （图），基坑共计分 次开挖，每次开挖，由于地下水位于地面以下 。表 岩土体物理力学参数重度 体积模量 剪切模量 粘聚力 内摩擦角 风化土 风化岩 软岩 支护参数选择的研究区域长 宽 高为 （图），研究区域的长、宽和高分别是基坑长、宽和高的 倍、倍和 倍，通过试算可知，当任意再增加研究区的长、宽和高 时，基坑及其周围岩土体的受力和位移几乎不发生变化，因此可认为此研究区是满足计算要求的。基坑支护主要采用的是围护桩、锚杆和内支撑的支护形式，围护桩假定满足弹性变形，弹性模量为 ，泊 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.松比为 ，容重为 ，围护桩长 宽 高分别为 。内支撑的弹性模量为 ，泊松比为 ，容重为 ；内支撑分成三部分，两排横撑和一排竖撑，上下两排横撑的间距为 ，竖撑穿插布置于两排横撑之间。锚杆假定满足弹性变形，弹性模量为 ，泊松比为 ，容重为 ；锚杆长 ，与水平面的夹角为，于地面以下 处开始布置，锚杆横向和纵向间距分别为 和 。图 基坑及其支护措施图 基坑研究区尺寸数值模拟 基坑开挖后土体位移数值模拟计算完成后，基坑的位移如图 所示。图 基坑开挖后的竖向位移基坑开挖后的整体竖向位移如图（）所示，基坑开挖后底部的竖向位移最大，其次为开挖区周边不超过 处，基坑周围其他岩土体的位移不超过 ，由此可认为此区域位移可忽略。由图（）可知，基坑的最大竖向位移值为 ，不超过 ，由此可知从位移的角度上分析，基坑的开挖满足工程要求。进一步切基坑底部的竖向位移如图（）所示，最大竖向位移为 ，主要集中于坑底中心处，基坑转角处竖向位移值为 ，明显小于坑底处的，原因是基坑转角处支护较集中，因此受力较均匀，致使位移控制得较好。同样最大位移不超过 ，由此可知从位移的角度上分析，基坑的开挖满足工程要求。由图 可知，基坑最大位移控制在工程允许的范围内，超过 的位移主要集中于坑底中心区域，基坑转角处位移较小，以上的位移值足以说明基坑开挖是满足工程要求的。基坑开挖后受力基坑开挖后锚杆和围护桩所受应力如图 和图。图 钢撑所受轴力如图（）所示，锚杆所受轴力分布较为均匀，最大轴力为 ，此轴力主要位于轴杆的端部，结合锚杆材料的属性可知，其极限轴力值为 。由此可知锚杆所受的轴力远小于材料的极限受力，从轴力角度分析，锚杆材料属性是满足工程要求的。进一步分析锚杆的受力，以第一排锚杆所受轴力进行分析，如图（）所示，锚杆所受最大轴力值为 ，此部分受力主要集中于锚杆的端部，分布相对集中。另一方面锚杆的受力呈线性分布，表现为端部最大，顶部最小。轴力分布较为均匀。另一方面结合锚杆的极限受力值 可知，第一排锚杆材料属性是满足工程要求的。以第二排锚杆所受轴力进行分析，如图（）所示，锚杆所受最大轴力值为 ，同样此部分受力主要集中于锚杆的端部，分布相对集中。另一方面锚杆的受力也呈线性分布，表现为端部最大，顶部最小，轴力分布较为均匀。结合锚杆的极限受力值 可知，第二排锚杆材料属性是满足工程要求的。图 围护桩所受最大剪切应力（单位：）由图 可知，锚杆所受轴力最大值远小于锚杆材料的极限受力 ，说明锚杆材料是满足工程要求的；锚杆的受力分布较为均匀，没有发生应力集中现象，说明锚杆的布置是合理的；由第一排和第二排锚杆的受力可知，若后期需要对锚杆进行受力分析，第二排锚杆是受力检测的重第 卷第 期地下水 年 月点，而非第一排锚杆。围护桩所受最大剪切应力如图 所示，围护桩所受最大剪应力为 ，此处受力主要集中在围护桩转角处，超过 的围护桩区域不超过 ，说明转角处并没有发生应力集中现象，另一方面围护桩材料的极限剪切应力值为 ，由此可知围护桩材料是满足工程要求。结语本文结合苏州市吴江区同里镇某水利工程基坑工程，利用 进行数值模拟研究，研究结论如下：（）基坑的最大竖向位移值为 ，此位移不超过，由此可知从位移的角度上分析，基坑的开挖是满足工程要求的。（）锚杆所受轴力最大值远小于锚杆材料的极限受力 ，说明锚杆材料是满足工程要求的；锚杆的受力分布较为均匀，没有发生应力集中现象，说明锚杆的布置是合理的。（）从第一排和第二排锚杆的受力可知，第二排锚杆是受力较大，施工中应该重点控制。（）围护桩所受最大剪应力为 ，超过 的围护桩区域不超过 ，说明转角处并没有发生应力集中现象；另一方面围护桩材料的极限剪切应力值为 ，由此可知围护桩材料满足工程要求。参考文献芮福才 水利工程基坑施工对临近桥梁墩台影响的数值模拟研究 水利科技与经济 （）：吴起飞 深基坑与地铁区间隧道交叉施工影响及保护分析福建建设科技（）：郑宇 某地铁基坑降水的数值模拟分析 福建建设科技（）：陈建康，矫伟刚，张琳，等 基坑开挖土体回弹变形研究 安徽建筑 （）：宋红红 富水区深基坑降水对临近建筑物的影响分析 国防交通工程与技术 （）：马玉飞，刘焕玉，熊辉，等 深基坑开挖降水对周边环境的影响分析 水利技术监督（）：陈文祥，王武杰，彭帆 软土地区相邻深大基坑同期施工的影响分析 地基处理 （）：谢潘想，余振锡，陈志敏 基于 模拟排距对倾斜组合桩影响分析 四川建材 （）：（上接第 页）主要污 染 因 子 评 价，个 水 功 能 区 达 标 率 在 之间；个缓冲区、个过渡区达标率均为零；个农业用水区达标率在 之间；个饮用水源区达标率为 。按双因子评价，个水功能区达标率在 之间；个缓冲区和 个过渡区达标率均为零；个农业用水区达标率在 之间；个饮用水源区达标率为 。通过分析水功能区总体达标率处于上升趋势。年邢台市各水功能区达标评率见表。年邢台市水功能区达标率趋势见图。图 年邢台市水功能区达标率趋势图结语近年来，邢台市强力推进水污染治理工作，进行了城镇污水处理厂提标改造、优化管网建设、优化污水处理工艺、规范排污口排污、分流域深度治理等一列措施，水环境质量得到提升。根据调查及监测资料，年邢台市废污水入河量虽然逐年增加，但主要污染物、氨氮、总磷得入河量都相对减少。通过对 个水功能区的监测数据的分析，水功能区的总体达标率处于上升趋势。为进一步提升水环境质量和水资源开发利用率，现提出以下建议：（）开展水体的纳污能力核定研究，分析计算确定水体的纳污能力和入河污染物削减量作为水功能区综合治理及污染物减排依据。审定水功能区的纳污能力、提出了关于污染物总量的限排建议，为环境保护部门制定污染物减排方案依据。（）加强工业污染源治理，消除水污染隐患。对河流两岸的污染源开展调查，对没有实现达标排放或没有实现稳定达标排放的企业，实施限定时间整治。按照市级和县（区）两级分级管理的规定，市、县（区）要分年度制定不定期监督监测计划，计划要明确一些重点污染源，保证全部实现稳定达标排放。（）实施污染物排放总量控制，开展排污权交易。引用市场的机制，对环境要素和自然资源的计价方法进行改革，对环境容量进行产权化和资源化尝试，以污染物排放登记和总量控制为基础，对河流两岸的建材、冶金、电力、化工等重点污染行业开展 排污权交易试点工作，逐步实现排污权交易制度。推行排污许可证制度，在逐步改善河流水环境的基础上，根据纳污能力计算结果，把污染物总量控制指标分解落实到污染源，实行持证排污。（）加大水环境监测力度，逐步实施在线检测。加强对入河排污口集中区域和跨县界断面的水质监测。政府要加大投资安装在线监控设备，逐步实施水质自动监测，实现水功能区水环境在线监控，通过对水域污染状况分布及水质的变化的分析，科学的界定水污染的责任主体，为水环境治理提供科学依据。参考文献 水资源保护规划编制规程李晓亮，景彦亭，刘庆华 邢台市入河排污水质调查分析对策 地下水（）：于焕民 漳河上游入河排污口调查与分析 地下水（）：仇学习，孙旭 廊坊市入河排污口调查与分析研究 地下水（）：韩燕，张爽娜，李海涛 衡水市水功能区排污现状分析研究地下水（）：毛玉凤 本溪市太子河流域入河排污口现状及评价 地下水（）：第 卷第 期地下水 年 月