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深基坑开挖数值模拟与锚固优化研究

文档作者：袁志阳文档来源：长春工程学院管理学院		点击数：	更新时间： 2025年11月17日
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施工技术
CONSTRUCTl0N TECHNOLOGY
2011年10月上
第40卷第350期
深基坑开挖数值模拟与锚固优化研究
袁志阳
(长春工程学院管理学院，吉林长春130021)
【摘要]基于FLAc”’软件，采用摩尔．库仑弹塑性模型，建立深基坑开挖支护数值模型。分析不间开挖阶段的基坑
土体变形特性，基坑土体水平位移、地表沉降以及基坑底部隆起均随着开挖深度的增加而增大。通过数值模拟为
施工提供科学的指导并基于混沌优化方法对基坑锚固方案进行优化，优化方案减少造价25．4％。对锚同优化方案
中设计变量、目标函数、约束条件和优化算法的确定进行了详细介绍。
[关键词]地下T程；深基坑；锚同；数值分析；优化
[中图分类号】Tu753 [文献标识码】A [文章编号】加02．8498(2011)19-0054舭
Simulation of Foundation ExcaVation and Study on
the Anchoring optimization
Yuan Zhiyang
(|sc^ooZ矿肘口凡oIg七ment，c^口，lgc^H凡，n5￡￡￡zne D，z’ec^no如g，，，I[冼口7曙c_Ilun，以Zi，l 130021，chi，l口)
Abstract：Based on the software FLAC川，the author sets up the simulation model of excavation and
support of the deep fbundation by using the】Ⅵohr—Coulomb model and analyzes the fbundation excaVation
soils defonnations under diff．erent stages． The horizontal displacement of the soils， the settlement of
ground and uplifts in the bottom of the foundation increa8e with．the increase of the excava“on depth． The
numerical simula￡ion method can provide guidance for the project constnlction． Based on the chaos
optimization algorithm，the author optimizes anchoring scheme which reduees the cost at 25．4％． The
detenIlination of design variables， objective function， constraint eondition and optimization algorithm in
anchoring optimization scheme are introduced．
Key words：underground；deep foundation excaVation；anchor；numerical analysis；optimization
当今我国基坑支护现状是基坑越挖越深、工程
地质条件越来越复杂、周同建筑物越来越密集、支
护费用越来越高。深基坑的开挖和支护便成了一
个突出问题。
深基坑支护工程中，支护结构与土体相互作
用，不断调整自身受力和变形，使基坑土体保持稳
定或失稳，这是一个力学机理很复杂的过程。目前
很多基坑工程设计主要依靠经验和工程类比法，在
这种情况下，采用有限元数值模拟和分析，对于深
基坑支护设计理论和安全施工有很积极的意义。
一个优化的深基坑支护结构设计既要保证支
护结构施工过程和周围环境安全，又要在满足安全
前提下节约造价。深基坑支护设计优化问题是高
度复杂的非线性问题，文献[3]运用多目标决策模
[收稿日期1 2011_04·14
[作者简介】袁志阳，长春工程学院管理学院讲师，长春市同志街
3066号130021，电话：138440750¨，E_ma止yuan2y043l@126．c砌
糊集理论和层次分析法，建立优化设计思路，优化
设计方案并且对结构细部的设计计算进行优化，对
基坑支护进行优化；文献[4]引入非线性遗传算法，
模拟生物进化过程，对基坑支护进行优化，寻求目
标函数最优解。
传统的优化方法普遍存在对输入参数敏感，迭
代收敛速度慢，容易陷入局部极小值等问题。本文
采用有限元数值方法对长春国际金融中心深基坑
工程进行数值模拟，并利用混沌优化算法对基坑锚
固进行设计优化计算。
l 工程概况。
1．1基坑建设规模
长春国际金融中心项目总规划用地面积
3。6km2，周围均有建筑物，复杂的环境给基坑支护
与施工带来很大困难，基坑设计深度19．8m。
1．2地质条件
本场地勘察的最大深度为50．Om，揭露的地层
万方数据
2011 No．350 袁志阳：深基坑开挖数值模拟与锚固优化研究
上部为杂填土、第四系黏性土、砂土层，下部为向垩
系砂质泥岩。根据岩土的物理力学性质，本场地勘
察深度内各个土层分述如下：①杂填土层厚1．40
—3．80m。②粉质黏土②．层为可塑状态，中压缩
性，层厚5 10～8．50m；②：层为可塑偏硬～硬塑状
态，中压缩性，层厚1．10～4．60m；②，为可塑状态，
中压缩性，层厚o．70一3．40m。③砾砂局部为粗
砂。中密～密实状态，层厚0 00—5．50m。④砂质泥
岩④，层与泥质砂岩不规律互层，全风化，层厚
O．00—7．00“；④：层与泥质砂岩不规律互层，强风
化，层厚2 50～14．30m；④，层为与泥质砂岩不规律
互层，中风化，勘察揭露的最大厚度为20 Om。
根据地质勘察资料，对各土层进行适当的简
化，简化公式见式(1)，简化后的各土层物理力学性
质如表I所示。
，=毫警㈩
式中：，为简化后土层的相应参数；，为简化前各土
层的相应参数；^．为简化前各土层厚度；日为简化后
土层厚度。
表l土层物理力学参数
Table l Physicm and mechanicaI parameters of soiIs
利用公式(2)和(3)，计算出FLAc数值模拟时
需要的K值和G值。
F
K 2丽{面(2)
F
G 2丽备(3)
式中：K为体积模量；G为切变模量；E为弹性模
量；y为泊松比。
1．3基坑支护
本场地基坑支护结构分为护坡桩、桩问止水帷
幕及锚索支护。
护坡桩采用机械钻孔灌注桩，桩径800mm，桩
间距为1．4m，桩民23．8m。桩问止水帷幕设计采用
高压旋喷桩，布置于护坡桩之间，桩径为800mm，桩
间距为1．4m，且与护坡桩搭接≥100mm，旋喷桩桩
长为24m，即嵌入基岩以下6m，锚索布设4排。
2数值分析
2．1模型选择
土是一种极为复杂的复合体，具有很复杂的力
学行为。在外力的作用下，土体不仅产生弹性变
形，而且还会产生不可恢复的塑性变形。本文运用
摩尔．库仑弹塑性模型进行计算。
2．2模型建立
工程经验表明，基坑开挖的影响宽度约为开挖
深度的3～4倍，影响深度约为开挖深度的2—4倍。
本工程开挖深度为19．8m，故将数值模型计算区域
建立为长70m、深50m的六面体块体(brick)单元，
由于在模型计算中不考虑其宽度方向的影响，所以
宽度方向只取lm，模型共有3 500个单元，7 208个
单元节点，82个结构单元。护坡结构用实体单元模
拟，锚索用cable单元来模拟，锚索弹性模量为
300GPa．截面面积为1．77×10～m2，抗拉强度l 860
MPa。FLAc”数值模拟模型如图1所示。
图1数值模拟几何网格
Fig．1 Geometrjc gr徂for the simuIation
2．3模拟开挖支护
该模型的开挖、支护共分成5个步骤进行：①基
坑开挖至一5．5m，在一4．5m处设置第1道锚索；②
基坑开挖至一10．5m，在一9．5m处设置第2道锚
索；③基坑开挖至一13．5m，在一12．5m处设置第3
道锚索；④基坑开挖至一17．0m，在一16．Om处设置
第4道锚索；⑤基坑开挖至一19．8m。支撑锚索具
体布置如图2所示。
杂填士
粉质黏土
砾砂
砂质泥岩
囤2 FJAC蛐模拟开挖示意(单位：m)
Fig．2 Diagram of simulation excava廿on(unlt：m)
3模拟结果分析
采用FLAc”对基坑的开挖和支护进行数值模
拟，计算结果如图3所示。
3．1基坑水平位移分析
从图3a可以看出，随着基坑开挖深度的增加，
基坑侧壁朝基坑方向的土体水平位移逐渐增大，而
万方数据
56 施工技术第40卷
0
一10
蠢oo
粪珈
一40
—50
50
45
巨40
疑
划35
螺
糊30
25
20
O t0 20 30 40 50 60
水平位移，mm
a水平位移
距基坑边距离／m
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
b地面沉降
0 2 4 6 8 lO 12 14 16
距基坑边距离，m
c基底隆起
图3数值模拟结果
Fig．3 Simulation results
最大水平位移发生在护坡桩桩顶，第5步开挖后的
最大水平位移量为56mm，支护桩桩底水平位移最
小。数值模拟计算结果水平最大位移占基坑最大
开挖深度的0．281％

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