不同土-结接触参数对地铁基坑变形的研究

不同土-结接触参数对地铁基坑变形的研究

侯世伟王恒辛治国马士贺刘旭丽

沈阳建筑大学土木工程学院辽宁省沈阳110168

摘要：在基坑工程的有限元数值计算中，对于地下连续墙或者桩墙与土体接触面的模拟，一般采用罚函数法，即通过库仑摩擦模型来定义临界剪应力与接触压力之间的关系。本文基于abaqus自带的罚函数模型，分析了罚函数模型的摩擦系数对对桩墙位移、墙后土体位移和支撑轴力的变化规律及对基坑变形的影响。

1.前言

在有限元分析中，接触条件是一类特殊的不连续约束，它允许力从模型的一部分传递到另一部分。因为只有当两个接触面发生接触时才会有约束产生，而当两个接触的面分开时，就不存在约束作用了，所以这种约束是不连续的。陈志明在深基坑开挖与支护的三维有限元模拟中分析了设置接触面和不设置接触面两种情况下的基坑内力和变形的影响，并未研究设置接触面后摩擦系数的变化范围对基坑内力和变形的影响。路德春等通过等向压缩试验和常规三轴压缩试验，建立了接触面的土体法向应力应变关系，提出了一种土与结构接触面土体软/硬化本构模型。邬俊杰等通过三轴模拟实验仪，实现对复杂应力条件下的桩土接触面相互作用特性的研究。张冬霁在单剪试验基础上，提出了“剪切错动带”的概念，试验得出“剪切错动带”剪应力和应变双曲线关系。王宴滨用接触力学法和接触面单元法模拟了桩土之间的接触，对比分析了采用库仑摩擦模型与Goodman接触单元模型在数值计算深水钻井导管承载能力的优劣。

本文以ABAQUS有限元软件为计算工具，模拟在不同接触参数下土-结构接触的力学特性以及土体的弹塑性变形特征。主要研究不同摩擦系数对桩墙位移、墙后土体位移和支撑轴力的影响，基于研究结果，深入解释摩擦系数的变化对实际工况的影响以及指导数值模型参数的选择与提取。

2.罚函数法的摩擦系数对基坑内力和变形的影响：为了研究摩擦系数对基坑内力和变形的影响，参考了《建筑桩基技术规范》中关于桩基承台与土体的摩擦系数取值范围，一般混凝土桩墙对黏性土的摩擦系数为0.25~0.4，混凝土桩墙对砂土的摩擦系数为0.5~1.0，结合数值计算理论，综合分析在有限元软件数值计算中摩擦系数的取值范围为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。

2.1摩擦系数对桩墙位移的影响分析

（a）桩墙位移与沿桩墙长度的关系（b）摩擦系数与桩墙最大位移的关系

图1摩擦系数对桩墙位移的影响

图1（a）桩墙水平位移沿桩墙长度的关系可以看出，沿桩墙长度的水平位移曲线呈“上凸”形状分布，说明沿桩墙长度位移先增大后减小，并且随着摩擦系数的增加，桩墙的最大水平位移值逐渐减小，“上凸”型的曲线分布基本没变化，并且最大位移值逐渐靠近桩墙端部。图1（b）给出了摩擦系数与桩墙最大位移的关系，表明摩擦系数与桩墙最大位移值呈非线性变化关系，随着摩擦系数增大，桩墙最大水平位移值逐渐减小，当摩擦系数大于0.5后，墙后土体位移没有明显减小，减小范围在2mm以内。当摩擦系数为0.1时，桩墙最大水平位移达到最大27mm，而基坑规范排桩变形允许值0.002H（20mm），这显然超过了基坑稳定允许值。这是因为，土体开挖后产生的下滑力一定，当摩擦系数越小，产生的摩擦力越小，水平推力就会越大，从而造成桩墙水平位移变大。

2.2摩擦系数对墙后土体位移的影响分析

（a）墙后土体位移与距基坑边缘距离的关系（b）摩擦系数与墙后土体最大位移的关系

图2摩擦系数对墙后土体位移的影响

从图2（a）桩墙后土体位移与距基坑边缘距离的关系可以看出，墙后土体垂直位移曲线呈“凹槽”形状分布，说明沿基坑边缘距离越大，墙后土体位移先增大后减小，无限远处基本无影响。由图可知，随着摩擦系数的增加，墙后土体垂直位移逐渐减小，“凹槽”型的曲线分布基本没变化，并且最大位移值逐渐靠近基坑边缘，基坑开挖影响墙后土体范围在13m内。图2（b）给出了摩擦系数与墙后土体最大位移的关系，当摩擦系数为0.1时，墙后土体最大位移值最大，最大位移值是18.5mm，当摩擦系数为0.7时，墙后土体最大位移值最小为3.3mm。随着摩擦系数均匀增大，墙后土体最大位移值减小的速率降低。由此可知当土体与围护结构摩擦系数较小时，适当提高土体与维护结构的摩擦系数，能在一定程度上提高墙后地表沉降。

2.3摩擦系数对支撑轴力的影响分析

（a）支撑轴力与沿支撑长度的关系（b）摩擦系数与支撑端部轴力的关系

图3摩擦系数对支撑轴力的影响

从图3（a）支撑轴力与沿支撑长度的关系可以看出支撑轴力沿支撑长度基本上没有太明显的变化，支撑的两端相差最大为0.5kN，这数值差主要由于钢支撑材料属性导致的，支撑两端的数值差相对于支撑轴力的数量级可以忽略。图3（b）反映了摩擦系数与支撑端部轴力的关系，当摩擦系数为0.1时，支撑端部轴力为157kN，当摩擦系数为0.7时，支撑端部轴力为44.5kN。在摩擦系数大于0.5后，支撑端部轴力减小速率降低。这是因为当摩擦系数较大时，土体强度的增大使得土体自身抵抗土压力能力提高，土压力对围护结构的分量减小，因而造成较大摩擦系数的变化对支撑轴力的影响很小。

3结论

基于ABAQUS有限元软件，。重点讨论了罚函数模型的摩擦系数对桩墙位移、墙后土体位移和支撑轴力的变化规律，得到以下结论：（1）对桩墙位移的影响。基于摩擦系数和非线性参数的接触模型，沿桩墙长度水平位移均呈“上凸”形状分布，说明沿桩墙长度位移先增大后减小。（2）对墙后土体位移的影响。基于摩擦系数或非线性参数的接触模型，墙后土体垂直位移曲线呈“凹槽”形状分布，说明沿基坑边缘距离越大，墙后土体位移先增大后减小，无限远处基本无影响。（3）对支撑轴力的影响。基于摩擦系数或非线性参数的接触模型，支撑轴力沿支撑长度基本上没有太明显的变化，支撑的两端相差在0.5kN内。（4）摩擦系数对桩墙最大水平位移值、墙后土体最大位移和支撑轴力的影响均为非线性关系。随着参数的增大，相应的桩墙最大水平位移值、墙后土体位移和支撑轴力逐渐减小。

参考文献：

[1]陈志明.深基坑工程开挖与支护的三维有限元模拟[D].天津：天津大学，2010.

[2]张华丰.水泥搅拌桩有效桩长分析[D].广州：广东工业大学，2006.

[3]华根勇.深基坑工程变形与支护相互作用研究[D].淮南：安徽理工大学，2012.

[4]任行.深基坑开挖与支护有限元模拟分析[D].淮南：安徽理工大学，2015.

[5]路德春，罗磊，王欣等.土与结构接触面土体软/硬化本构模型及数值实现[J].工程力学，2017，34（7）：41-50.