深基坑工程开挖与支护的ANSYS有限元模拟

论文摘要

随着城市建设的快速发展,高层建筑的大量兴建以及城市地下空间的开发利用,出现了大量的深基坑工程。本文以ANSYS大型通用有限元计算程序为软件平台,结合青岛万邦广场深基坑开挖与支护工程实例,在考虑土与支护结构相互作用的基础上,采用二维平面有限元建立了有限元模型。模型土体采用了Drucker-Prager理想弹塑性本构模型,土体与桩采用平面四节点等参元,锚杆采用了杆单元。在桩和土体之间采用接触单元,来模拟土体与结构界面的粘结、滑移、脱离及再闭合的状态非线性。利用“杀死与激活单元法”模拟基坑的分步开挖与支护。对比有限元计算所得的位移值和实测结果,两者较吻合。有限元计算结果表明:该工程的护坡桩的下部水平位移比上部水平位移大,由于桩的埋深只有2m,在实际工程中要特别注意“踢脚”现象;基坑坑底的隆起随着开挖步的进行,坑底隆起量逐渐增大,坑底中部隆起最高,坑壁处土体由于受桩的影响隆起量较小;基坑周围的地表沉降随着开挖步的进行,逐渐增大,距离基坑越远,沉降越小;土体等效应力在地表及坑底最小,随着深度不断增大,在支护桩底部及坑底角部土体应力较大,由于支护桩和预应力锚杆的刚度比周围土体的刚度大的多,故在支护桩和预应力锚杆拉锚区产生了应力集中现象;随着开挖步的进行锚杆的轴力是不断变化的,基本呈逐渐增大的趋势,但到了开挖的后期锚杆的轴力都比较均衡,桩体也没有产生应力突变,这说明锚杆的设计是比较合理的。该基坑支护综合考虑了土质条件、施工方法、周围环境等因素,方案选择安全可靠,取得了明显的社会效益和经济效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 基坑工程及其特点
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 土体本构关系研究现状
• 1.3.2 基坑工程数值分析研究现状
• 1.4 深基坑工程中目前存在的问题
• 1.5 本文主要的研究内容及方法
• 2 基坑开挖与支护的设计计算理论
• 2.1 支护结构上的水平荷载
• 2.1.1 经典土压力理论
• 2.1.2 基坑开挖支护中的土压力
• 2.2 基坑变形分析
• 2.2.1 墙体的变形
• 2.2.2 基坑隆起变形
• 2.2.3 地表的沉降
• 3 基坑开挖计算有限单元法的基本理论
• 3.1 概述
• 3.2 有限元法的基本方程
• 3.3 土体的本构模型
• 3.3.1 土的弹性模型
• 3.3.2 土体弹塑性模型
• 3.4 桩土接触单元模型
• 3.4.1 二维接触单元
• 3.4.2 桩土接触的有限元模型
• 3.5 基坑开挖过程的有限元模拟
• 3.5.1 基坑开挖模拟的方法
• 3.5.2 初始应力场的计算
• 3.5.3 开挖荷载的形成与计算
• 3.5.4 开挖单元与节点的处理
• 4 ANSYS 有限元程序介绍
• 4.1 ANSYS 有限元程序简介与特点
• 4.2 ANSYS 分析的基本过程
• 4.3 ANSYS 接触分析
• 4.3.1 ANSYS 接触分析简介
• 4.3.2 桩土接触分析在 ANSYS 上的实现
• 4.4 ANSYS 单元生死技术（Element Birth and Death）
• 4.4.1 单元生死简介
• 4.4.2 单元生死的使用
• 4.5 APDL 参数化语言
• 5 青岛万邦广场深基坑工程数值分析
• 5.1 工程概况
• 5.1.1 工程建设规模
• 5.1.2 工程地质条件
• 5.1.3 基坑支护方案
• 5.1.4 基坑开挖监测
• 5.2 ANSYS 有限元计算模型
• 5.2.1 有限元分析的基本假定
• 5.2.2 土体及支护体系的有限元模型
• 5.3 开挖过程的有限元模拟
• 5.4 数值模拟结果
• 5.4.1 分步开挖的变形分析
• 5.4.2 分步开挖的土体应力应变分析
• 5.4.3 分步开挖的桩土接触分析
• 5.4.4 分步开挖锚杆的轴力变化
• 5.5 计算结果与工程观测数据的比较
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望与建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果