基于ABAQUS 数值模拟下的锚杆支护结构分析研究

河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038

1 引言

基坑工程作为岩土工程中的核心组成部分，其属于涉及多个方面的综合性工程［1］。据不完全的统计分析，造成基坑工程事故发生的最主要原因，是设计、施工不当造成的。

本文通过采用ABAQUS 软件，根据数值模拟分析计算的相关结果，与工程现场的监测数据进行对比，进行论证分析，为后期类似工程提供参考依据。

2 ABAQUS 数值模型的建立

2.1 工程概况

本工程基坑深度约为27.0m，形式为支护桩＋预应力锚索支护结构。选择钻孔灌注结构，其桩体长度设计为40.0m，桩体直径设计为1000mm，桩距设计为1.5m，嵌固深度设计为13.0m，桩体顶端设计冠梁，在桩体通身设置加强筋、箍筋等。另外在基坑深度范围内共设计了锚索十一道，锚索和锚索之间都有腰梁［2］。

在此，为简要表明基坑变形规律，只选其中5 道锚索进行分析。施加位置分别在-3.3m、-6.8m、-13.8m、-17.4m 以及-24.3m 处。锚杆角度均为15°。

2.2 工程材料参数

2.3 数值模型的建立

本文选用Mohr-Coulomb 模型［3］。

表1 土层物理力学参数

表2 结构材料参数

模型宽度与高度分别为100m、100m。划分的网格数目为3935 个，各个单元均属于平面应变单元（CPE4R），如图1。边界条件为：水平约束施加于两侧，底部有水平、竖直约束。

假设条件：

（1）假定土体类型为弹塑性体；

（2）采用桩锚支护结构，并对锚杆提前施加预应力。假定该支护结构为完全弹性体。

图1 有限元模型图

3 计算结果与分析

汇总基坑开挖变形位移的模拟值以及实际监测数据，cx1～cx9 分别为九个监测点，如图2 至图4 所示。

图2 基坑开挖后的水平位移曲线图

图3 基坑开挖后的地表沉降曲线图

图4 基坑开挖后的坑底隆起曲线图

由图得出，数值模拟的基坑侧壁水平位移值为32.1mm，监测量则为35.2mm；数值模拟的基坑地表沉降竖直位移值为14.4mm，监测量为15.7mm；数值模拟的基坑坑底土体隆起变形量31.2mm，由于在冠梁处无法测得基坑坑底土体隆起的数据变化，因此无坑底隆起监测值。以上结果与监测数据基本吻合，这就验证了ABAQUS 有限元软件在岩土工程中的实际应用性，且说明基坑的位移变化量随着基坑开挖过程的进行而不断增加，其均处于规范允许的范围内。

4 结论

（1）本文研究围绕特定的深基坑工程开展，运用ABAQUS有限元软件，对基坑进行了数值模拟，并将模拟结果与工程基坑开挖的监测数据进行比较分析，验证了数值模拟结果的可行性。

（2）当基坑的深度不大时，竖向变形以坑底土体向上隆起为主。随着基坑深度的不断增大，侧壁的水平位移变化量与地表沉降程度不断增强，且相关数值并没有超出规范的许可范围，并且与实际监测数据基本保持一致。

（3）针对本工程基坑的开挖，当开挖深度≯15.0m 时，基坑变形程度较小。但是当开挖至工况3 之后，即基坑程度超过15m 时，水平与竖直方向的位移程度变形程度逐渐增大，在施工过程中应在此之后对基坑的变形加以关注。