基于ABAQUS和正交试验法的基坑支护桩优化*

孙海霞， 李冬敏， 孔志鹏

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)



基于ABAQUS和正交试验法的基坑支护桩优化*

孙海霞， 李冬敏， 孔志鹏

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

针对目前深基坑支护桩设计过于保守的问题，通过正交试验法，利用有限元软件ABAQUS进行数值模拟分析，优化内支撑排桩支护方案.选择支护桩桩径、桩间距和桩长为研究因素，以支护结构最大水平位移为评价指标，通过正交分析，确定对支护桩稳定性影响最大的因素，并得到最优的支护方案.结果表明，对支护桩设计影响最大的因素是桩径，其次是桩长，再次是桩间距，基于ABAQUS和正交试验法的基坑支护桩优化方法，可以定量判定支护桩的优劣，相比于经验法有了较大的提升.

基坑； 正交试验法； 正交表； 因素水平； 数值模拟； 支护方案； 优化设计； 最佳组合

近年来，由于我国经济的高速发展、城市人口的高速增长以及复杂的周边局势，为了解决人口流动和就业点相对集中给交通和环境带来的压力，满足环境和局势变化的要求，大量修建地下工程成为了一种必然趋势.伴随着地下空间的不断开发利用，基坑的规模和开挖难度也越来越大，相应的对于基坑安全性的要求也越来越高.同一工程采用不同的设计方案在安全性和经济性等方面往往有较大差异，因此，如何在工程动工前选定最优方案就显得尤为重要.

1　正交试验

对于单因素或双因素试验，其因素较少，试验的设计、实施与分析都相对比较简单.但在日常实际工作中，常常需要同时考虑三个或三个以上的试验因素，若进行全面试验，则试验的规模将会很大很复杂，并且往往因为试验条件的限制而难于实施.正交试验设计就是安排多因素试验、寻求最优水平组合的一种高效率试验设计方法，利用正交表来安排与分析多因素试验，在水平比较少的情况下有较高的效率[1-3].该设计方法是在试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验[4]，通过对这一部分试验结果进行分析来了解全面试验的情况，找出最优的水平组合.

2　工程概况及计算模型

2.1工程概况

本文数值模拟以沈阳某地铁车站为例，该车站的深基坑长为167.2 m，宽为29.8 m，深为14.5 m.研究范围内土体的计算物理力学参数指标见表1.

表1　基坑土层的物理力学参数Tab.1　Physical and mechanical parameters of foundation pit soil

2.2计算模型

几何模型的尺寸是根据基坑及其周边环境条件共同确定的，基坑开挖引起的地面沉降的影响范围随着基坑开挖规模的增大而增大，一般情况下不会超过开挖深度的5倍，此外，基坑的长宽比越大，基坑长边外侧的影响范围也就越大.在进行数值模拟时，几何模型的宽度一般取开挖深度的3～4倍，高度取开挖深度的2～3倍，具体情况根据工程地质条件和计算精度来确定.

本文车站深基坑形状近似为矩形，总长度167.2 m，宽度29.8 m，开挖深度15 m，围护结构采用钻孔灌注桩，支撑选用焊接钢管，共56道，支撑标高分别为-0.5、-6.5、-11.5 m，钢管直径609 mm，管壁厚度14 mm.

综合考虑车站基坑形状和以往数值模拟研究经验[5-8]，本文研究仅以标准段为例进行数值模拟分析.模型标准段开挖深度为15 m，开挖宽度为18.6 m，根据对称性取开挖宽度的一半，取标准段基坑中的三根桩及其周边土体进行建模，模型的总尺寸为45 m×45 m×3.6 m.排桩支护结构模型及网格划分示意图如图1所示.

图1　排桩支护结构模型及网格划分示意图Fig.1　Schematic row piles supporting structure model and grid partition

2.3模型荷载及边界条件

本文模型中不考虑水压力，地表没有附加荷载，土体的自重就是土层压力，初始应力场就是带有重力梯度的自重应力场，如图2所示.

由于基坑底部为坚硬的稳定土层，所以模型底部的边界条件只需限制Y方向，也就是竖直方向的位移就能够准确模拟出实际基坑底部的情况.而对于模型左右两侧的边界条件，根据对称性限制X方向，即水平方向的位移；模型前后两侧采用的是约束水平方向(即Z方向)的位移[9].基

图2　初始应力平衡Fig.2　Initial stress equilibrium

坑模型自由沉降，作为模拟基坑的应力边界条件，如图3所示.

图3　模型边界条件和土体自重Fig.3　Model boundary conditions and soil weight

3　正交试验设计

3.1影响因素

沈阳市地铁深基坑工程采用的是内支撑排桩支护方案.在进行方案设计的过程中，为了能够确保支护桩具有足够的稳定性，排桩支护部分的设计偏于保守.因此，本文从利于节省材料和尽量减少费用支出的角度考虑，在保证支护结构安全性和经济性的前提下，对排桩支护部分进行优化设计.

影响支护桩稳定性的因素很多，本文结合实际条件，通过对桩径、桩间距和桩长这三种优化因子的各自三种水平进行优化，以支护桩的最大水平位移作为指标，选择出最佳的优化组合.各试验因素及水平如表2所示.

表2　各试验因素及所取水平Tab.2　Factors and their levels for various tests　m

3.2方案设计

根据以上确定的影响因素以及因素水平进行三因素三水平试验分析，试验安排见表3.

表3　正交试验Tab.3　Orthogonal experiments　m

4　计算结果整理及分析

4.1正交试验结果整理

通过利用ABAQUS软件进行模拟运算，按照正交表的规定做9次数值模拟试验，以支护结构水平位移值作为评价指标，其中，9次模拟试验对应的水平位移值分别为9.30、9.86、9.55、12.67、9.53、12.05、9.67、11.63、11.00 mm，且水平位移值之和为95.26 mm，利用方差法进行分析，具体计算方法见文献[10]，本文在此不做赘述，计算结果见表4.

表4　结果分析Tab.4　Analysis on results

4.2正交试验结果分析

从表4可以看出，在内支撑排桩支护结构体系中，对支护结构水平位移影响最大的因素是支护桩的直径，支护桩是承受土体压力的主要结构，桩径越大，支护桩所能承受的压力也就越大，基坑也就越安全、稳定，一旦桩径设计不合理，使得支护桩在受力过程中产生过大变形甚至被破坏，就会严重威胁基坑的安全性.

其次，支护桩桩长的大小也是影响基坑支护结构水平位移的主要原因.在满足设计规范的前提下，支护桩桩长越大，支护结构水平位移越小，基坑越趋于稳定，但当支护桩桩长超过某一长度时，支护桩在基坑体系的作用下，就不会对基坑的稳定性有很大的贡献.

最后，支护桩间距对支护结构水平位移的影响相比于支护桩桩径和桩长来说比较小.在实际工程中，桩间距也是比较重要的一部分，取值过大就可能发生土体从桩间挤出，进而导致整个支护结构体系失效；取值过小就不能充分发挥支护桩的作用，达不到节约成本的作用.

综上所述，最终确定支护桩桩径0.9 m，桩间距1.4 m，桩长23 m为最优设计方法，在使得基坑稳定性得到较大提升的同时，也可以在经济上得到节约.

5　结　论

本文通过分析得出以下结论：

1) 运用正交试验法对沈阳某地铁深基坑工程支护结构进行分析，找到了影响支护桩稳定性的主要因素及最佳的设计参数组合，说明正交试验可以定量分析某种支护桩参数的优劣，达到优化设计的目的.

2) 根据分析结果，在支护桩桩径、桩间距和桩长三个影响因素中，影响最大的是桩径，其次是桩长，最后是桩间距.在本例中桩径0.9 m，桩间距1.4 m，桩长23 m的组合为最佳组合.

3) 由分析可知，桩间距在保持支护结构稳定性的作用上相比于桩径和桩长较小，因此在实际工程中，在确保基坑支护安全的前提下，可以适当增大桩间距，从而减少支护桩数量，达到节约成本的目的.

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(CHEN Zhong-han，CHENG Li-ping.Deep foundation pit engineering [M].Beijing：China Machine Press，1999.)

(责任编辑：钟媛英文审校：尹淑英)

Optimization of foundation pit supporting piles based on ABAQUS and orthogonal experimental method

SUN Hai-xia, LI Dong-min, KONG Zhi-peng

(School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to solve the problem that the design of supporting piles of deep foundation pit is over conservative, the finite element software ABAQUS was used for numerical simulation analysis through the orthogonal experimental method, and the supporting scheme for the internal bracing piles was optimized. The diameter of supporting piles, pile spacing and pile length were selected as the research factors, and the maximum horizontal displacement of supporting structure was taken as the evaluation index. Through the orthogonal analysis, the maximal influencing factor on the stability of supporting piles was determined, and the optimal supporting scheme was obtained. The results show that the maximal influencing factor in the design of supporting piles is the diameter of supporting piles, follows by the pile length, and thirdly is the pile spacing. The optimization method for the supporting piles of foundation pit based on ABAQUS and orthogonal experimental method can quantitatively determine the advantages and disadvantages of supporting piles, and get obviously improved compared with the empirical method.

foundation pit; orthogonal experimental method; orthogonal table; factor level; numerical simulation; supporting scheme; optimization design; optimal combination

2015-10-22.

国家自然科学基金资助项目(51279109)； 辽宁省教育厅基金资助项目(201164119).

孙海霞(1976-)，女，辽宁本溪人，副教授，主要从事岩土与结构的相互作用等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.04.17

TU 473

A

1000-1646(2016)04-0457-04

*本文已于2016-05-12 14∶01在中国知网优先数字出版. 网络出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.030.html