深基坑支护设计影响因素的有限元分析 黄天一

深基坑支护设计影响因素的有限元分析黄天一
摘要：改革开放之后我国经济水平持续增长，建筑行业也随之迅猛发展，社会
各界于建筑方面的各项需求不断增加。

由于我国人口基数相对较大，随着城市化
建设进程的不断深入，土地资源越发紧张，为了对此项问题进行缓解，建筑行业
开始发展向上和向下的空间，因此高层建筑和地下空间开发规模及力度不断提升，随之而来的是深基坑支护方面要求的提高。

现阶段对深基坑变形情况进行有效控制，以及提升基坑工程的安全性和经济性是建筑领域面临的首要问题。

深基坑支
护质量水平对建筑整体质量产生重要影响，而设计基坑支护结构变形是影响基坑
变形的主要因素，因此本文就深基坑支护设计影响因素进行有限元分析，并通过
实际案例进行相应说明。

关键词：深基坑支护设计影响因素有限元分析
近些年来我国城市化进程迅猛发展，随之而来的是对建筑需求的日益增加。

建筑空间越发紧缺，土地资源也处于相对紧张的状态。

因此我国高层建筑如雨后
春笋般发展，近几年来地下空间的合理利用也被高度重视。

目前来说各种用途的
地下空间规模不断增加，如地下停车场、地下商场以及地下室等都是具体体现形式。

大规模兴建的高层建筑与地下工程必然存在大规模的深基坑工程，因此深基
坑开发以及维护问题是现阶段建筑领域内关注的重点问题。

下面本文展开详细论述。

一、有限元分析法及深基坑支护设计概述
二十世纪五十年代提出有限元分析法，经由半个世纪的发展有限元理论也不
断进步，被越发广泛的应用于各个领域各个行业。

有限元分析代入深基坑支护设
计就是首先对开挖影响范围的支护结构域土体等进行离散操作，将其进行多个网
络格的划分。

将每一个网格看作是一个施工单元，将所有单元集合起来对原本支
护结构域土体进行体现。

对每个单元进行平衡方程的建立，通过对数值模拟以及
边界条件的利用进行有效计算，最终得出支护结构与土体内力及变形情况。

随着
近些年来有限元法的不断进步，已然形成相对成熟的分析体系，连续介质有限元
分析法与平面弹性地基梁法应用最为普遍，连续介质有限元分析法又包含平面分
析法和三维分析法两种。

对于建筑工程来说，深基坑支护质量水平对其建筑质量产生直接影响，因此
在开挖过程中需对深基坑支护工作不断加强，通过有限元分析法的利用，对深基
坑工程的安全施工进行保证。

深基坑工程随建筑项目的变化而变化，具有较强的
地域性特征，不同地质及水文条件均会存在较大差别。

因此需要结合实际情况对
基坑支护类型进行合理应用，尤其是深基坑设计和施工方面更是需要综合考虑各
方面因素。

利用有限元分析方式对深基坑支护结构内力、隆起量以及地表沉降量
等进行计算和分析，同时得出施工工况下的应力、位移等数据。

此种方法于深基
坑支护结构稳定性方面具有关键性作用。

当前阶段我国城市化建设依旧处于高速
发展阶段，加强深基坑支护设计的深入探究，于该领域乃至社会方面具有十分积
极的意义。

二、深基坑支护设计影响因素分析
对于深基坑施工过程中引发基坑变形的因素十分多样化，可简单概括为施工
因素、自然条件因素和设计因素。

其中由基坑开挖深度和预应力设计水平组成设
计因素；基坑开挖速度、深度、宽度及基坑开挖后暴露时长统称为施工因素，自
然因素则包含基坑周围土体结构、水文环境和地质条件。

下面对深基坑支护设计
各类影响因素进行简单整理分析：
1.围护墙刚度对深基坑支护设计的影响
有大量实践结果表明，围护墙墙体厚度直接影响墙体水平位移量，水平位移
量随墙体厚度增加而减少，墙体厚度增加至一定水平后其水平位移量变化会相对
平缓。

此处需注意增加基坑围护墙墙体厚度会导致工程造价提升，因此在采用此
种方式对位移量进行减少时需对各项成本因素综合考虑，满足具体施工需求的情
况下对施工成本进行合理把控。

2.基坑开挖宽度对深基坑支护设计的影响
深基坑开挖宽度是对其变形程度影响的主要设计因素之一。

围护墙水平位移
量与基坑开挖宽度之间为正比例关系，围护墙水平位移量会随基坑开挖宽度的增
加而增加，随宽度的减少而减少。

在深基坑工程实际施工中，应合理把控基坑开
挖的宽度，从而对墙体安全情况进行保证且对施工需求进行满足。

虽然围护墙水
平位移量会随基坑宽度的增加而增加，但是增加至一定范围后会越发趋于平缓。

3.围护墙入土深度设计的影响
对于深基坑支护设计来说围护墙入土深度是十分关键的参数。

如在基坑实际
施工过程中围护墙入土深度过浅则无法对围护墙结构稳定性进行保证，甚至会引
发支护结构倾斜或坍塌的情况发生，据不完全统计多数基坑安全事故由此引起。

因此需要基于基坑坑底不隆起的基础上，保证围护墙入土深度可对具体施工需求
进行满足。

虽然基坑支护结构入土深度于墙体位移量不会产生较大影响，但是仍
需综合考虑各方面因素。

需要特别注意的是一旦基坑支撑数量设计过少，会造成
基坑内支撑设计呈现悬臂状态，从而围护墙入土深度降低，最终对基坑支护结构
稳定性造成严重影响。

4.基坑内土体结构加固设计的影响
为对基坑支护结构稳定性进行保证和增强，有效预防基坑变形的情况，可采
用被动区土地加固的方式。

被动区土地加固方法实施可分为以下几个方面：基坑
土体加固区形状、宽度、深度以及加固方式。

对基坑被动区土体进行加固后，其
刚度随之增加，从而减少围护墙墙体水平位移量。

三、实际案例分析
本文以某地铁站作为实际案例进行分析。

此地铁站为典型地下两层岛式结构，单柱双跨箱型框架为其主体结构，横向跨度为17.5M，全长约为166.5M，顶板高
度约为505M，地板高度大约在497M。

人工挖空土体内力以及变形情况为车站主
体结构。

采用桩加锚固支撑结构，挂网配设方式对桩间挡土进行有效支护。

首先
建立相应模型，将基坑土体假设为连续、均匀且同性的介质，模型方向与基坑轴
线处于平行状态。

依据弹力学理论当距离处于三倍洞径时，切向和径向应力与原
岩应力之差应在4%以内。

依据地铁基坑具体设计需求并与空间效应影响相结合，利用三维弹塑性模型及软件计算模拟数值。

通过ansys软件对基坑开挖过程进行
模拟，其数值计算步骤如下：
1.基于应力作用基础上，实现计算模型的平衡之后将结点位置设置为0位移量，计算第一层土地开挖的深度、宽度以及基坑开挖后暴露时长；
2.将时间与空间效应的影响忽略后进行第二层土层基坑开挖深度和宽度的计算，并激活其中的桩体单元，分析两部分桩体开挖过程的位移量；
3.基坑开挖深度至设计标高，激活整个桩体单元之后分析整个桩体在开挖过
程中的水平位移。

在深基坑工程开挖之后位移变化对力学形变过程直接反应。

因此可在桩顶与桩身多个部位设置监测点于基坑开挖支护过程中，检测围护墙水平位移量。

同时利用matlab软件回顾分析，最终得出计算分析的模拟函数数据，从而获得最佳支护参数，对基坑稳定性进行保证。

结束语：综合上述所言，随着我国城市化进程的不断推进，高层以及超高层建筑随之增加，地下空间开发规模不断扩大，深基坑支护问题已经成为当前阶段建筑行业内关注的首要问题。

利用有限元分析方法帮助深基坑支护设计质量水平提升，对深基坑支护设计各类参数更加准确的计算，从而提高基坑稳定性和安全性，为基坑工程施工提供质量和安全的双重保障。

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