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粘土中钻孔灌注桩墙体支护开挖弯矩数值模拟研究

2024-08-22 9 上传者：管理员

摘要：针对粘土中钻孔灌注桩墙体支护开挖弯矩数值进行模拟，研究弯矩数值对钻孔灌注桩墙体支护开挖工程的影响程度。采用有限元软件Midas NX，结合模型构建的四点原则，通过计算墙体支护材料的弹性模量、体积模量和剪切模型，得到相应的墙体支护参数，结合工程的实际情况，确定模拟模型的边界范围，通过对墙体外的地下水的降水处理，构建相应的钻孔灌注桩墙体支护模拟模型，并对测点进行布置。利用上述参数，进行模拟测试，并通过布设的测点记录墙体支护开挖后桩身的变形情况。钻孔灌注桩墙体支护开挖后，桩身的最大变形量为6.02 mm，桩身的弯矩值为500 KN•m。钻孔灌注桩墙体支护的弯矩值受到多种因素的影响，其中变形量对桩身弯矩值的影响最大。

关键词：
墙体支护开挖
弯矩
数值模拟
粘土
钻孔灌注桩
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墙体支护作为临时结构，能够为地下工程构建一个较安全的施工环境，同时，随着我国建筑水平的不断增长，为保障建筑物周边的安全性，需要严格控制墙体的变形情况，防止地面出现塌陷等情况。因此，支护结构在我国工程建设中的地位愈发重要，各种支护手段和支护技术更是层出不穷[1]。鉴于钻孔灌注桩支护技术在多个工程中都实际应用并展现出了其强大的抗弯能力、无噪声的施工方式以及墙体变形小的优势，因此该技术得到了广泛应用。为了更好地在工程建设中应用支护结构，需要对墙体开挖时的弯矩值进行研究，通过数值模拟对其进行分析，以此保证施工的顺利进行[2]。

在上述背景下，不少研究学者围绕数值模拟展开了研究[3–5]。在以往研究的基础上，对粘土中钻孔灌注桩墙体支护开挖弯矩数值模拟展开了研究，通过分析钻孔灌注桩墙体支护的具体结构，设定相应的支护结构参数，实现对其的数值模拟研究。

1、工程概况

本次工程以某支护工程为例，该支护工程长约108.2 m，宽约86.2 m，施工过程中占地面积约7 869 m2，实际建筑面积约52 341 m2，墙体支护结构开挖时，最大开挖深度为12.34 m,3层地下结构。工程周边环境较为复杂，距离周边小区仅250 m，且附近街道铺设了地下电缆管道、通信管道等设施，给实际施工增加了难度。本次工程的实际环境地形较为平坦，因此，在实际施工时需要覆盖层划分为3层，按照厚度变化依次施工。同时，考虑到施工地与周边建筑设施较近，为保证工程的顺利进行，在施工过程中需要加强对墙体变形的控制，保证工程的质量。此外，由于工程附近的取水隧洞已经被挖通，导致工程的地下水较为丰富，地质条件较差，导致坍塌发生概率上升[6]。

因此，为保证工程的顺利进行，设计了相应的墙体支护结构。本次施工采用的墙体支护结构为钻孔灌注桩墙体支护结构，能够充分利用支护结构的强度，保证工程顺利进行。

2、钻孔灌注桩墙体支护开挖弯矩数值模拟模型

将上述工程概况作为本次试验的模拟对象，构建相应的数值模拟模型。在构建模拟模型的过程中，为简化模拟过程，保证模拟模型的效果，需要设置以下假定条件。

(1）在构建模拟模型时，不考虑地下水对施工工程的影响。施工过程中会采取一系列降水措施，减小地下水对施工的影响，包括设置排水井、抽水泵等设备，以实现地下水位的控制。（2）在墙体支护开挖前，不考虑因钻孔灌注桩打桩过程中引起的墙体变形[7]。（3）在施工前不会考虑墙体和土体的滑动情况。（4）钻孔灌注桩、冠梁和衬砌等多种结构单元之间采用刚性连接方式，确保了它们之间的稳固连接。在构建模拟模型时，需要将其纳入考虑范围内。根据上述4点原则，采用有限元软件midas NX，构建相应的数值模拟模型[8]。

2.1设定墙体支护结构材料参数

将上述工程概况的相关数据作为基础，结合墙体的实际情况，设定相应的材料参数。设定时考虑到墙体材料自身的特性，需要通过计算得到材料的弹性模型，从而获取材料的体积模量和剪切模量。其具体计算过程如式（1):

式中：E0为墙体材料的弹性模量；Es为墙体材料的压缩模量；μ为墙体材料的力学参数；K为墙体材料的体积模量；G为剪切模量；v表示泊松比。

通过上述公式，计算出墙体材料的相关模量，在实际应用中，利用体积模量和剪切模量代替弹性模量[9]。因此，对墙体参数进行模拟时，在不考虑墙体材料抗拉强度的前提下，通过上述公式以及墙体材料的相关试验得到相应的参数。其具体参数见表1。

以表1为基础，对于支护结构参数进行设定，具体见表2。

2.2确定模型边界范围

考虑到本次工程的面积巨大，设定好模型参数后，试验时无法在如此大的范围内进行试验测试，同时为了减少计算压力，加快计算速率，仅在施工工程的试验段位置构建数值模拟模型。

构建模型时，需要确定相应的模型边界范围[10]。确定模型范围时，由于多种因素的影响，仅将模型范围设置在试验区域。其具体设计如图1所示。

表1墙体材料参数

表2支护结构参数

图1模型边界范围

在上述确定的模型边界中，由于地质条件和支护开挖深度的影响，将模型边界范围控制在45 m（长）×8 m（宽）×32 m（高）的范围内，并在墙体支护开挖后侧长18 m。整个边界范围包含548 963个单元，共有569个节点[11]。在确定模型的边界范围时，假设地面边界条件是静止不动的，并采用固定底座的方式。在模型的顶部设置自由边界，而在4个侧面，则设定一定的约束。这样的设置能够确保模型在分析过程中的稳定性和合理性。同时，需要限制的模型的水平位移，因此，需要使用滚动底座。

在上述条件下，需要根据周边条件，考虑一定范围的地表荷载及周边压力。同时，由于周边岩石和土体的自重存在一定压力，因此在确定边界范围时，不将其纳入考虑范围内。

2.3构建墙体支护开挖数值模拟模型

在上述基础上，构建相应的墙体支护开挖数值模型。在构建模型时，考虑到该数值模拟模型开挖的顺序，应当与施工现场实际开挖的顺序一致。因此，在构建数值模拟模型时，需要遵循自上而下的原则，对墙体进行分层开挖[12]。由此，得到的数值模拟模型。

在构建数值模拟模型时，先对支护开挖前的墙体进行重力平衡，可从中得到相应的初始地应力场，随后，在上述模型中设置相应的钻孔灌注桩，根据钻孔灌注桩的结构，进行墙体支护的开挖[13]。开挖的过程中，在既定的底层位置处设置冠梁，并在此打入第1层锚杆。随后继续进行开挖工作，直至达到第2层锚杆的位置。在该位置设置腰梁，并将第2层锚杆打入地下。而当墙体支护开挖达到所设定的深度时，便完成了整个施工过程。

值得注意的是，在以上开挖过程中，为确保施工顺利进行，需要事先进行降水处理。该措施的目的是保持开挖区域的干燥状态，从而确保施工过程顺利进行。

针对不同的支护结构，采取不同的降水方式，排出施工现场的地下水，保证施工顺利进行。同时，在上述墙外降水的作用下，减小了水压力对数值模拟模型的影响，降低了计算压力，提高了计算效率，能够更好地得到数值模拟的结果。

2.4测点布设

为探究粘土中钻孔灌注桩墙体支护开挖弯矩数值的变化情况，本次试验将对钻孔灌注桩墙体支护开挖后桩体的变化情况进行记录。试验中将水平仪放置在相应的监测点上，根据监测点仪器的记录结果，对墙体支护开挖弯矩的数值进行分析[14]。

试验选取了5个监测点进行分析。为保证测点测量结果的准确性，试验将测点放置在土层之间的交接处，实时监测墙体的变形情况。在监测的过程中，每隔3 d记录1次监测结果，记录时间长达1个月。

3、钻孔灌注桩墙体支护开挖弯矩数值模拟结果

3.1钻孔灌注桩桩身位移结果分析

经过上述数值模拟结果，对桩身位移进行计算，同时结合实际监测资料，对桩身的实际情况进行测量，并统计测量结果。其桩身位移结果见表3。

表3桩身位移结果

随着时间的增加，桩身最大变形值可达到6.02 mm，在达到最大值后，桩身的变形值开始不断缩减。由此可以看出，桩身的位移结果在可控范围内，钻孔灌注桩墙体支护在施工后，能够起到一定的支护作用，控制因为支护开挖导致的墙体变形。

同时，由表3可知，本次试验的模拟值和实际测量值相差不多，模拟效果较好，且桩身的位移保持在正常范围内，说明当前的墙体支护处于稳定状态中。

3.2钻孔灌注桩桩身万弯矩结果分析

在上述基础上，根据墙体支护开挖后，桩身的弯矩计算结果如图2所示。

由图2可以看出，钻孔灌注桩的桩身弯矩分布呈现出S形，且转弯点位距离桩身底部1/4处。同时，根据上述结果计算可知，桩身的弯矩值为500 k N·m，因此，在设计支护方案时，设计弯矩应为750 k N·m，由此才能保证钻孔灌注桩在墙体支护开挖时起到最大的支护作用。在实际设计中，还需要考虑外界因素对桩身的影响，进一步优化设计弯矩。

4、结束语

本研究对粘土钻孔灌注桩墙体支护开挖情况的弯矩数值设定展开了模拟研究，通过实际情况，设定相应的墙体结构参数，考虑到施工现场范围较大，设定模拟模型的边界范围，从而构建相应的模拟模型。将构建的模拟模型作为基础，在其布设相应的测点，对钻孔灌注桩墙体支护开挖后的桩身变形情况进行分析，从而得到相应的桩身弯矩设计值，避免因设定的弯矩值过大而导致出现各种工程问题。

图2桩身弯矩结果分析

参考文献:

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[3]刘芳,罗武,赵永志,等.软土深基坑桩撑支护选型分析及数值模拟研究[J].广东土木与建筑, 2022, 29(1):14–17, 64.

[4]张力,黄钺,王洪庆,等.海上风电嵌岩桩水平承载力特性数值模拟研究[J].南方能源建设, 2021, 8(3):34–43.

[5]郭咏辉,雷金山,陈菲,等.风化板岩地区基坑双排桩的数值模拟研究[J].土工基础, 2021, 35(4):449–452.

[6]田新,施鹏飞,丁双双,等. FRP加固T形截面混凝土连续梁弯矩重分布的数值模拟[J].工程质量, 2022, 40(3):36–42.

[7]刘畅,杨天恩,曹子祥.小型预制桩基础承载特性数值模拟研究[J].湖南工业职业技术学院学报, 2021, 21(1):97–100.

[8]谢磊,贾雨彬,陈曦,等.液固流化床内二元颗粒流动特性数值模拟研究[J].工程热物理学报, 2023, 44(8):2144–2152.

[9]王有新,陶忠,赵东龙.弹簧改进型单凹面摩擦摆隔震支座理论分析与数值模拟研究[J].科技通报, 2023, 39(7):55–61, 69.

文章来源:段海强.粘土中钻孔灌注桩墙体支护开挖弯矩数值模拟研究[J].建筑技术,2024,55(16):2030-2033.