复杂框架通道涵施工三维有限元过程分析.pdf

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1、广东建材2015年第2期工程试验与研究复杂框架通道涵施工三维有限元过程分析张国辉(中铁十六局集团公司)【摘要】采用大型有限元软件ABAQus建立了三维计算模型，计算分析了框架通道涵支护结构的变形，架通道涵开挖施工对临近高速公路既有隧道出口结构的变形影响。【关键词】ABAQus；高速公路零断面：下穿框架通道涵1项目背景及研究意义两高速公路在圣人山相交。经过各相关单位及主管部门多次协商、比较分析，拟在圣人山隧道出口处增设下穿高速公路通道(见图1)。本下穿通道开挖基坑长96m，宽58．4m，深度11．5m，基坑离隧道明洞出口位置仅1．575m，属于特级深基坑。图】相对位置剖面图本

2、下穿通道涵下穿新建圣人山隧道出口零断面的立交工程施工，涉及在建圣人山隧道洞口稳定、下沉通道涵基坑稳定，再加上两者之间距离十分接近，彼此附加应力、位移场相互叠加[1]，如何有效控制工后变形等对本工程的实施提出了巨大挑战。研究这种变化规律，对今后类似工程有十分重要意义。2基坑开挖三维数值计算分析2．1计算范围及边界条件ABAQUS[21总体模型计算区域选取，充分考虑了基坑开挖引起的边界效应，参阅相关文献，结合实际经验，以基坑外水平向几何尺寸取基坑开挖深度的3～5倍以上，竖直向2～4倍以上为原则；因此计算模型几何尺寸X、Y、z分别为223m、227Ⅲ、50m。计算模型侧向加水平约

3、束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不加约束。2．2模型参数的确定本次分析的土层参数及本构关系如下表。本项目根据岩土工程勘察报告提供的压缩模量平均值E。，在初定弹性模量E=(3～5)Es的基础上，结合已有工程经验，各土层弹性模量的取值如表1。根据基坑支护设计方案得到表2所示的结构参数。表1土层参数及本构关系薯纂布置情况瑟高禚泊松比嘉黎2．3三维模型的建立模型中土体、基坑支护钻孔灌注桩及冠梁、cFG桩体采用三维实体单元，既有隧道主体结构、隧道出口段、高速公路通道桥涵采用壳单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元。模型中土体采用理想弹塑性模型，遵循M0hr—Coulomb屈服准则，上述相

4、关结构则采用弹性模型。总体计算模型、新建基坑与既有隧道结构模型图、局部详细模型如图2、图3所示，总体计算模型含393598—43—工程试验与研究广东建材2015年第2期个单元，72030个节点。计算过程中的主要荷载包括自重。·徽风饨获岩图2总体计算模型第3步开挖土体一图3基坑开挖部分及隧道钢筋混凝土结构部分的模型钻孔灌注桩置于层状土层中，在桩体与桩侧土体之间，由于其刚度不同，在外荷载作用下，往往在其接触面处形成较大的相对位移。本分析计算模型通过加接触单元来模拟桩土之间的相对滑移与错动。接触单元采用GoOdman单元。2．4模型计算工况本次分析共计14个工况，即14个施工步骤

5、，具体如表3所示。本次分析主要在于新建基坑开挖对既有隧道结构及其出口段影响，基坑支护结构力学特性分析，考虑的是基坑开挖引起的增量位移，故对既有建筑施工引起的位移和初始应力场引起的位移进行清零。2．5位移计算结果2．5．1出口段位移结果分析基坑开挖对近邻既有结构的影响体现在各个方向上，因此有必要分析基坑开挖各个方向应力释放引起的结构位移，图4～图6为工况14(stepl4)引起的既有圣人山隧道出口段结构的位移云图(单位：m)。根据以上既一44一表3分析施工步汇总丢景工况名称功能描述初始应力场本工况是岩土工程分析的第一步，在计算整个分析模型内只有岩、土体移除出口段本工况移除出口

6、段所在的四层岩土山体施工体进行分析圣人山本工况对圣人山隧道开挖过程进行隧道开挖分析圣人山本工况对圣人山隧道喷混和锚杆锚隧道喷锚固隧道进行分析山n爵本工况对出口段下cFG桩施工进行c删缸箬靠髫15m’桩距1‘钿籼·5m，正黻本工况对三段出口段施工进行分析回填出口段本工况对出口段上方覆土回填进行上覆土分析，采用杂填土回填位移归零銮至堡犁勰道整体施工完成钻孔灌注桩本工况对基坑钻孔灌注桩及其冠梁及冠梁施工施工进行分析第1步本工况对远离圣人山隧道口，宽16m土体开挖第l步土体开挖施工进行分析涵洞部分施工嘉磊貉翌萋存雾卉体开挖后’该部分笸。毕本工况对预留土上方长为15m，放坡(预郝开挖

7、茬葬黜馨穿铲人山隧道口土涵洞全段本工况对完成涵洞框架施工进行施工完成分析第3步本工况对涵洞进出口两侧土体开挖土体开挖进行分析有圣人山隧道出口段位移云图，提取可得基坑各开挖阶段对应于各方向绝对值最大位移结果汇总表，如表4所示。定义位移指向坐标轴正向为正，反之为负。2．5．2基坑支护结构位移结果分析图7～图9为基坑开挖过程中支护体系位移云图(单位：m)。考虑到基坑支护结构的位移直接影响到既有结构的变形，因此本分析对基坑支护结构位移进行着重分析。根据基坑支护结构各个方向的位移云图可见，基坑开挖引起的基坑支护结构水平位移与