群坑开挖耦合效应数值模拟研究论文
深基坑坑角效应数值模拟的开题报告
深基坑坑角效应数值模拟的开题报告
1. 研究背景和意义
深基坑工程是指开挖深度在10m以上的基坑工程，近年来，随着城市化的发展和建筑工程的不断增加，深基坑工程越来越广泛地应用于地下车库、地下商场、高层建筑等工程中。
但是，深基坑工程所面临的安全风险也越来越大，特别是坑角处的受力情况容易造成基坑结构的破坏，如何准确地评估坑角处的受力情况成为深基坑工程中亟需解决的问题。
2. 研究对象和方法
本项目以某地铁施工现场为研究对象，采用数值模拟的方法，研究深基坑坑角效应，并进一步探讨坑角处应力场和变形场的演化规律、影响因素和安全评估。
3. 研究内容和步骤
（1）建立深基坑的三维有限元数值模型；
（2）通过不同条件下的计算，分析深基坑坑角处的受力特点、应力分布、变形等规律，探究因素包括中心深度、施工时间、支护结构等；
（3）以计算结果为基础，通过与实际情况的比对，评估深基坑在坑角处的安全性；
（4）总结并提出优化深基坑坑角受力情况的措施。
4. 预期成果和意义
（1）能够准确描述深基坑坑角效应的数值模型，分析其应力和变形特点；
（2）为实际深基坑工程提供坑角处应力场和变形场的演化规律，有针对性地针对坑角处进行有效的支护措施；
（3）在深基坑修建过程中提供有价值的理论指导和技术支持，能够提高深基坑的安全性和施工效率。
高地应力下地下洞室群开挖过程的数值模拟
高地应力下地下洞室群开挖过程的数值模拟
陈景涛;朱进明;苏国韶
【期刊名称】《土木工程与管理学报》
【年(卷),期】2009(026)004
【摘要】采用适用于高地应力下硬岩的弹-脆-塑性本构模型,对某水电站地下洞室群的开挖过程进行了数值模拟,得到了高地应力下地下洞室群开挖过程中位移场、应力场和塑性区的演化过程.比较发现,数值模拟结果和实测位移及松动圈较为一致,表明数值计算的方法和结果正确可信,为高地应力条件下硬岩地下工程的计算、设计、优化和围岩稳定性分析提供了科学依据.
【总页数】5页(P5-9)
【作者】陈景涛;朱进明;苏国韶
【作者单位】武汉理工大学,理学院,湖北,武汉,430070;中电武汉电子广场,湖北,武汉,430022;广西大学,土木建筑工程学院,广西,南宁,530004
【正文语种】中文
【中图分类】TU452
【相关文献】
1.高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征分析
2.高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征分析
3.高地应力条件下爆破漏斗实验及数值模拟研究
4.高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征
5.极高地应力条件下深埋大型地下洞室群开挖支护对策研讨会在蓉召开
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基于邓肯张模型的基坑开挖数值分析
基于邓肯张模型的基坑开挖数值分析摘要：双排桩式围护结构以其各方面突出的优越性已成为目前应用较为广泛的深基坑支护形式。
与单排桩相比施工简单、成本相近、节约工期，在砂性或粘性土地区，当坑深大于10m时应考虑使用双排桩围护结构。
本文基于Duncan-Chang模型，通过数值模拟的方法研究了开挖深度对变形及内力的影响分析。
得到的规律对双排桩围护结构的施工有一定的指导意义。
关键词：基坑；Duncan-Chang模型；数值模拟；工程应用；引言：随着我国的建设事业蓬勃发展，土地资源也日益紧张，高层和超高层建筑逐渐成为城市建筑的主流，多层的地下建筑也日趋增多，对基坑工程的技术要求显著提高。
高层建筑多建在城市中心区域，因施工场地局限，基坑施工简单放坡较难实现，只能做成陡坡或者垂直坑壁，因此必须依靠围护结构固定坑壁，保证坑内的正常安全作业。
围护结构作为基坑的重要组成部分，其设计和施工成为基坑工程的关键。
[1~2]目前，基坑工程的设计施工仍以经验指导实践为主，但是理论研究相对滞后，尚未形成统一的设计施工规范，因基坑围护结构失效造成的严重事故时有发生，造成人员伤亡和经济损失。
因此，亟待进行更多理论研究、模型测试和工程监测，为基坑工程提供统一完善的理论支撑，保证基坑工程施工安全和经济高效。
[3~4]1 双排桩围护结构双排桩式围护结构以其各方面突出的优越性已成为目前应用较为广泛的深基坑支护形式，在砂性或粘性土地区，当坑深大于10m时应考虑使用双排桩围护结构，与单排桩相比施工简单、成本相近、节约工期。
单排桩在总桩数不变的前提下，以2倍桩距将桩分成两排，前后对齐或错开，桩顶用宽度等于排距的圈梁相连即成为双排桩围护结构。
横剖面相当于门式钢架，侧向刚度很大横向剖面可以视为门式钢架，如图1所示。
（a）三维视图（b）梅花式排桩图1双排桩构造示意图2 基于Duncan-Chang模型的基坑开挖数值分析2.1 计算假定（1）有限元的分析区域不可能为无穷大，根据圣维南原理，基坑工程的影响范围是有限的，因此设定在足够大范围之外土体的变形和内力变化均为零。
考虑渗流应力耦合作用的深基坑开挖变形研究
考虑渗流应力耦合作用的深基坑开挖变形研究汪慧莲;谢建斌;吴晓敏;王立娜;窦法楷;刘秦南【期刊名称】《云南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(026)001【摘要】The three-dimensional finite element model of one selected deep foundation pit excavation was built based on the seepage-stress coupling effects and constitutive theory of soil.Thick silty clay and clay are distributed in the foundation pit where the groundwater level is higher.The modified Cam-clay model parameters of the foundation soil were determined by the laboratory test,and the modified Cam-clay model was applied to the numerical simulation analysis of the excavation support of this foundation pit.The deformation of the foundation pit,the horizontal displacements of the supporting structure,the ground settlement,and the excavation rebound are researched respectively during the excavation of the deep foundation pit coupling with the effect of seepage-stress or not.The results go as follows:(1) It is suitable to use the modified Cam-clay model for watery silty clay and clay.(2) When the coupling effect of the seepage-stress interaction during the foundation pit excavation is taken into account,the horizontal displacements of the supporting structure,the ground settlement and the excavation rebound of the foundation pit are 0.57 times,0.07 times and 0.59 times respectively compared with the situation of ignoring the coupling effect of the seepage-stress interactionduring the excavation of the foundation pit.The coupling effect of the seepage-stress interaction should be fully considered during the analysis of the excavation deformation of the foundation pit.3) Precipitation at the bottom of the pit in advance can reduce the excavation rebound significantly.%基于土体渗流应力耦合效应及本构理论,针对某场地地下水埋深较浅、粉质黏土和粘土分布较厚的深基坑工程建立了相应开挖支护三维有限元模型.通过室内试验测定了基坑土体的修正剑桥本构关系参数并将修正剑桥本构关系应用于基坑开挖支护的数值模拟分析中.分别研究了基坑开挖过程中有无渗流-应力耦合效应的基坑整体变形、支护结构位移、坑外地表沉降及坑底回弹情况.研究结果表明:①含水粉质黏土和粘土采用修正剑桥本构关系较合适;②考虑渗流应力耦合作用时基坑支护结构水平位移、坑外地表沉降及坑底回弹量分别是未考虑渗流应力耦合作用时的0.57倍、0.07倍、0.59倍,基坑开挖变形应充分考虑渗流应力耦合作用;③坑底超前降水能显著减小坑底隆起.【总页数】6页(P89-94)【作者】汪慧莲;谢建斌;吴晓敏;王立娜;窦法楷;刘秦南【作者单位】云南农业大学建筑工程学院,云南昆明650201;云南大学土木工程系,云南昆明650091;云南农业大学建筑工程学院,云南昆明650201;云南农业大学建筑工程学院,云南昆明650201;云南农业大学建筑工程学院,云南昆明650201;云南农业大学建筑工程学院,云南昆明650201【正文语种】中文【中图分类】TU463【相关文献】1.考虑孔隙比和渗透系数随土体当前应力变化的深基坑降水开挖变形分析 [J], 邵羽;江杰;马少坤;吕海波;何建兴;陈俊羽2.渗流-应力耦合作用下基坑开挖变形性状分析 [J], 孙二小;赵玉成3.考虑渗流作用时深基坑开挖坑底隆起变形分析 [J], 郑钰4.渗流-应力耦合作用下基坑开挖变形性状分析 [J], 孙二小;赵玉成;5.基于渗流-损伤-应力耦合作用下考虑力学参数弱化的巷道围岩变形破坏分析 [J], 孙琪皓; 马凤山; 赵海军; 郭捷; 冯雪磊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第四系松散沉积层地下水开采与地面沉降耦合数值模拟的开题报告
第四系松散沉积层地下水开采与地面沉降耦合数值模拟的开题报告一、研究背景和意义随着城市化的进程，地下水资源的开采需求不断增加。
然而，地下水开采对地面的影响也日益引起人们的关注。
特别是在第四系松散沉积层地区，地下水的开采对地面沉降的影响更加明显。
因此，研究第四系松散沉积层地下水开采对地面沉降的影响及其耦合关系，具有重要的实际意义。
二、研究内容和方法本研究将以某第四系松散沉积层地区为研究对象，采用数值模拟方法，研究地下水开采与地面沉降之间的关系。
具体研究内容包括：1.地下水开采对地面沉降的影响规律研究；2.地下水开采与地面沉降的耦合关系分析；3.基于数值模拟方法，对地下水开采对地面沉降的影响进行模拟和预测。
三、预期成果本研究预计能够深入探究第四系松散沉积层地下水开采与地面沉降的耦合关系，得出可靠的研究结论，并建立相应的数值模拟模型，以提供理论依据和技术支持。
四、研究难点与挑战1.第四系松散沉积层地下水开采与地面沉降的关系存在复杂性和不确定性，需采用多角度和多方法的研究手段，才能更加准确地探究其影响关系；2.数值模拟涉及多个因素和参数，需要对不同参数进行准确的设定和调整，才能更好地反映实际情况；3.地下水开采与地面沉降的研究在很大程度上依赖于实地调查和数据采集，需要对数据的质量、精度和有效性进行全面评估。
五、研究进度计划1.文献调研和理论分析（1个月）；2.实地采集数据和模型建立（2个月）；3.数值模拟和数据分析（4个月）；4.研究结果整理和论文撰写（2个月）。
六、参考文献1. 吕晓丽,华峰.下降段省城深层地下水开采对地面沉降的影响[J].自然灾害学报,2017,26(06):18-23.2. 朱军,范唯.北京市地下水开采对地表沉降的影响与退役因素研究[J].西部人居环境学报,2019,34(06):53-57+70.。
群桩挤土效应的数值模拟
1171 1143 1715
01101
21426
813
01009
4 灰色淤泥质粘土 5 褐灰粉质粘土
7. 2～9. 1 - 12149～ - 14. 00 50. 6 10. 5～12. 0 - 24. 30～ - 24. 99 33. 4
1. 69 1. 85
1. 45 22. 1 0. 97 14. 8
72 2 同 济 大 学 学 报 第 28 卷
泥质粘土是受沉桩挤压影响的关键层位 ,其厚达 12～13 m ,含水量超过 50 % ,密度 1170 g·cm- 3左右 ,孔隙 比 1140 以上 ,液性指数大于 110 ,饱和度接近 100 % ,压缩系数大于 011 cm2·kg - 1 ,φ = 7°～8°,C = 0109 kg· cm - 2 。具有饱和 、流动 、高压缩性 、低强度特点的这两层土 ,总厚度较大 ,在一定量混凝土桩挤入的情况 下 ,很可能由于孔隙压力急剧上升而进入完全流动状态 ,且固结较慢 。因此 ,监测工作的重点应集中在这 两层土上 。同时 ,在淤泥质粘土 、粉质粘土层中夹有薄层粉砂 ,在沉桩过程中 ,沿桩身四周和观察孔壁都有 粉砂颗粒冒出 ,证明了该层土的孔隙压力升高是明显的 。泥质粘土是受沉桩挤压影响的关键层位 ,其厚达 12～13 m ,含水量超过 50 % ,密度 1170 g·cm- 3左右 ,孔隙比 1140 以上 ,液性指数大于 110 ,饱和度接近 100 % ,压缩系数大于 011 cm2·kg - 1 φ, = 7°～8°, C = 01009 MPa. 具有饱和 、流动 、高压缩性 、低强度特点的这 两层土 ,总厚度较大 ,在一定量混凝土桩挤入的情况下 ,很可能由于孔隙压力急剧上升而进入完全流动状 态 ,且固结较慢. 因此 ,监测工作的重点应集中在这两层土上. 同时 ,在淤泥质粘土 、粉质粘土层中夹有薄层 粉砂 ,在沉桩过程中 ,沿桩身四周和观察孔壁都有粉砂颗粒冒出 ,证明了该层土的孔隙压力升高是明显的.
沟槽效应的数值模拟分析
沟槽效应的数值模拟分析王猛;张书平;曹杰;胡坤伦;汪齐;韩体飞【摘要】To study the mechanism of dead-pressing phenomenon, according to assumptions, the numerical simulation of the explosive process of ANFO in the condition of deep hole without coupling charge was carried out, using Autodyn simulation software. The results show that the main reason of channel effect is not the density increase of the explosive by the pre-shock wave compression, and channel effect can not be caused by the weak pre-shock wave generated at 0.4 m away from the detonation point, while the detonation pressure of the explosive decreases by the compression of the strong pre-shock wave at 1.5 m away from the detonation point.%为研究沟槽效应的产生机理, 利用AUTODYN软件, 根据假设条件建立简化的二维EULER计算模型, 对深孔不耦合装药条件下铵油炸药的传爆过程迚行模拟.结果表明:沟槽效应产生的主要原因不是炸药受超前冲击波压缩导致密度的增加.铵油炸药不耦合系数为2时, 在距离起爆点0.4m处空气间隙中已经产生超前冲击波, 但此冲击波幵不会影响炸药正常爆轰.距离起爆点1.5m处, 超前冲击波强烈压缩炸药, 使炸药爆轰压力降低.【期刊名称】《火工品》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】4页(P38-41)【关键词】铵油炸药;沟槽效应;压死现象;AUTODYN【作者】王猛;张书平;曹杰;胡坤伦;汪齐;韩体飞【作者单位】安徽理工大学,安徽淮南,232001;安徽理工大学,安徽淮南,232001;中国葛洲坝集团易普力股份有限公司,重庆,401121;安徽理工大学,安徽淮南,232001;安徽理工大学,安徽淮南,232001;安徽理工大学,安徽淮南,232001【正文语种】中文【中图分类】TQ564.4工业炸药在连续不耦合装药条件下，常会发生爆轰中断或爆轰转燃烧的现象，该现象称为沟槽效应，又称压死现象。
深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究_孙晓明
收稿日期:20040520基金项目:国家自然科学基金重大项目(50490273);国家基金委创新群体基金项目(50221402);教育部科学技术研究重大项目(10405).作者简介:孙晓明(1970-),男,山东省泰安市人,讲师,工学博士,从事软岩工程力学及软岩巷道支护理论与技术方面的研究.第34卷第2期 中国矿业大学学报 V o l.34No.22005年3月 Jo ur na l o f China U niv e rsity of M ining &Techno lo g y M a r .2005文章编号:1000-1964(2005)02-0166-04深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究孙晓明1,2,何满潮1,2(1.中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京 100083; 2.中国地质大学工程与技术学院,北京 100083)摘要:通过对深部开采软岩巷道的变形破坏机理的研究发现,巷道变形破坏主要是由于支护体力学特性与围岩力学特性在强度、刚度以及结构上出现不耦合所造成的;且变形首先从关键部位开始,进而导致整个支护系统的失稳.因此,要保证深部软岩巷道围岩的稳定性,必须实现支护体与围岩的耦合.数值模拟研究表明,当锚杆与围岩在刚度上实现耦合时,能最大限度地发挥锚杆对围岩的加固作用;当锚网与围岩在强度上实现耦合时,将会使围岩的应力场和位移场趋于均匀化;当锚索与围岩在结构上耦合时,可以充分利用深部围岩强度来实现对浅部围岩的支护.实践证明,软岩巷道耦合支护可以有效解决深部开采软岩巷道支护问题.关键词:深部开采;软岩巷道;耦合支护;数值模拟中图分类号:TD 353 文献标识码:ANumerical Simulation Research on Coupling Suppo rtTheo ry of Roadw ay Within Soft Rock at DepthSUN Xiao-ming 1,2,HE Ma n-chao 1,2(1.Scho ol of M echanics,Ar chitecture &Civ il Engineering ,China Univ ersity o f Mining &Technolog y ,Beijing 100083,China;2.Schoo l o f Eng ineering &Technolog y ,China U niv er sity of Geosciences ,Beijing 100083,China )Abstract :After resea rching on the defo rmatio n and failure m echanism ,the failure rea son of ro adw ay within soft rock at depth is the uncoupling of m echa nics characters betw een the sup-port a nd surrounding rock.The key po sitio n of the roadway is defo rmed firstly ,then the w hole suppo rt system is destroyed .By the num erical simulatio n analy sis ,the maximum streng then-ing effect of bo lt on surrounding rock can be realized with the rigidity coupling betw een bolt and surrounding rock ;the stress field and deforma tion field will be drov ed to unifo rm w ith the streng th coupling suppo rt betw een bo lt-mesh and surrounding rock;th e reinfo rcing suppo rt to surrounding rock can be realized by using inner rock streng th with the co nstructio n coupling betw een anchor and surro unding rock.According to the eng ineering practice,the co upling sup-port technique can resolv e the support problem of roadway within soft rock at depth.Key words :deep mining;soft ro ck ro adw ay;co upling suppo rt;numerical simulatio n 随着浅部资源的日益减少,我国煤矿开采深度逐渐加深,以每年8～12m 的速度增加,东部很多矿井正以每10年100～250m 的速度发展.近年己有一批矿井进入千米以下的深部开采阶段.由于深部复杂的力学环境,使得软岩巷道围岩稳定性控制问题成为困扰煤矿安全生产和建设的主要难题之一.“九五”期间,我国10个能源建设基地有8个都相继出现了软岩问题,造成多对矿井的停产停建[1],直接影响煤矿安全生产.因此,国内外针对软岩问题进行了大量的研究,逐渐形成了一些有影响的理论和技术,如新奥法理论、松动圈理论、大弧板理论、联合支护理论[2-5]等.这些理论与技术解决了大量软岩支护问题.但是,由于深部开采环境的复杂性,软岩巷道难支护的问题尚未得到根本解决.因此,进一步研究适合于深部软岩大变形问题的支护理论,对于煤矿安全生产具有重要意义.1 深部开采软岩巷道破坏机理在深部复杂力学环境下,软岩已进入非线性塑性大变形阶段,变形场是非线性力学场,因此,软岩巷道的破坏机理同硬岩巷道明显不同[6].软岩巷道的破坏主要是由于支护体力学特性与围岩力学特性出现不耦合所造成的,并且首先从某一部位即关键部位开始,进而导致整个支护系统的失稳.按其变形力学机制不同,软岩巷道的破坏机理主要有以下4种类型[7-8]:第一类:强度不耦合.是指支护体和围岩的强度不耦合,非均匀的荷载作用在等强的支护体上,形成局部过载,产生局部破坏,最终导致支护体失稳.第二类:刚度正向不耦合.是指支护体和围岩的刚度正向不耦合,支护体刚度(ES )小于围岩刚度(ER),围岩产生的过量变形得不到限制,使围岩剧烈变形损伤、强度降低,从而将其本身所承担的荷载传递到支护体上,形成局部过载而产生破坏.第三类:刚度负向不耦合.是指支护体和围岩的刚度负向不耦合,支护体刚度(ES)大于围岩刚度(ER ),围岩的膨胀性等能量不能充分转化为变形能而释放,造成局部能量聚集,使支护体局部过载而首先产生破坏.第四类:结构变形不耦合.是指支护体和围岩结构变形不耦合,支护体产生均匀的变形,围岩中的结构面(如软弱夹层、层理面、断层面、节理面等)产生差异性滑移变形,使支护体局部发生破坏.2 深部开采软岩巷道耦合支护根据深部开采软岩巷道变形破坏机理,要实现软岩巷道的成功支护,必须消除支护体与围岩之间的不耦合现象.因此,深部开采软岩巷道耦合支护[8]就是对软岩巷道围岩由于塑性大变形而产生的变形不协调部位,通过支护的耦合而使其变形协调,从而限制围岩产生有害的变形损伤,同时最大限度地发挥围岩的自承能力,实现支护一体化、荷载均匀化,达到巷道稳定的目的.支护体与围岩的耦合作用主要包括锚杆支护与围岩之间的耦合、锚网支护与围岩之间的耦合以及锚索与深部围岩之间的耦合支护.3 巷道耦合支护作用数值模拟研究3.1 计算方法本次研究采用弹塑性空间有限元程序2D -e 进行深部软岩巷道支护体与围岩相互耦合作用分析.该程序作为一个结构应力分析系统,能够对不同岩体参数与锚杆、网、锚索之间相互作用时的支护体受力状态、围岩应力变化规律以及塑性破坏区发育形态等情况进行很好地模拟.3.2 锚杆围岩耦合作用数值模拟分析为了方便对锚杆围岩耦合作用进行定性分析,采用固定锚杆弹模(E =100GPa ),岩体弹模由E =1000M Pa 变化到E =1M Pa ,每个模拟方案均减小一个数量级进行对比分析.由图1a 单根锚杆周围岩体的应力分布图可见,由于岩体开挖,顶部岩体要向下移动、变形,下部岩体和上部岩体的变形大小是不同的,锚杆的存在,增大了岩体整体的刚度,使岩体的变形更加协调,下部岩体变形比上部岩体的变形要大得多,此时锚杆就处于一种受拉状态,当锚杆顶端深入稳定岩体中时,锚杆对于下部岩体起着悬吊作用,从应力分布上看出,在锚杆的顶端,锚杆对岩体的影响范围最大.若将岩体弹模降低到10M Pa 时,单根锚杆的作用范围在锚杆顶部降低了60%左右,其它部位锚杆的作用范围也都有所降低(图1b).图1 单根锚杆与围岩作用e y 应力分布数值模拟结果Fig.1 N umerica l sim ulatio n result of e y distribution interacting betw een sing le bo lt a nd surro unding ro ck由此可看出,通常认为的锚杆的影响范围是在锚杆顶端沿45°向下的区域的观点[9]具有一定的局限性.当锚杆与岩体的耦合适当时,锚杆的作用范围是超出这一范围的.与单根锚杆与围岩作用效果相似,群锚加固岩167第2期 孙晓明等:深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研究体的影响范围的大小与锚杆和岩体的刚度相对大小有关,并不都是锚杆顶部向下45°范围内.结果证明(图2),当锚杆与围岩在刚度上达到耦合时,即当锚杆弹模为100GPa ,岩体弹模为1000M Pa 时(图2a ),群锚的影响区将比此范围增大20%左右;当岩体弹模为100M Pa 时才是人们通常认为的沿锚杆顶部向下45°的加固范围(图2b );当岩体弹模降低到10M Pa 和1M Pa 时,群锚的加固范围又相继降低(图2c,2d).图2 群锚加固作用e y 应力分布数值模拟结果Fig .2 Numerical simula tion r esult o f e y distributio n interacting betwee n bolt suppo rt a nd surro unding ro ck 因此,在锚杆与围岩耦合的条件下,可以认为锚杆调动岩体强度范围超过传统界限.这就要求在进行锚杆支护设计时,要首先考虑锚杆与围岩的耦合问题.3.3 锚网围岩耦合作用数值模拟分析采用均质岩体条件下(E =100GPa )钢架不耦合支护(钢架弹模E =100GPa ,菱形网弹模E =10k Pa )与锚网耦合支护(锚杆弹模E =100GPa ,钢筋网弹模E =10GPa )进行锚网围岩耦合作用分析.由应力分布对比可以看出(图3),不耦合支护下竖直方向应力在顶部和底部较为突出,应力集中区范围明显大于锚网耦合支护下的应力范围.实施锚网耦合支护后的应力集中区出现在巷道的两角部,同样应力值大于不耦合支护下的应力值.同时,巷道整体变形量明显减小(图4).图3 不同条件下锚网与围岩相互作用e y 应力分布结果Fig.3 N umerical simula tio n result o f e y dist ributio ninteracting betw een bo lt-mesh suppo r t a nd surr ounding r ock under differ ent conditions图4 不同支护条件下巷道围岩变形结果Fig.4 N umerical simula tio n result o f surro unding r ock defo r ma tio n under differ ent suppo r t co nditio ns通过分析锚杆受力变化情况可以看出(图5),在巷道掘进初期,巷道围岩顶部应力迅速集中,是巷道垮落危险区域;在实施锚网耦合支护后,顶部应力集中区迅速下降,而帮部低应力区应力状态迅速提高,巷道围岩不同部位应力状态趋于均匀化.图5 集中应力区向低应力区转移过程的数值模拟结果Fig .5 N umerical simulation result of the pro cess o f co ncentr ating stress zone to lo w str ess zo ne数值模拟结果表明,支护体与围岩的一体化是实现锚网耦合的首要因素,同时,当锚网和围岩强度、刚度达到耦合时,围岩应力集中区在协调变形过程中会向低应力区转移和扩散,锚网支护体整体受力以及围岩的应力场和位移场均趋于均匀化.4 锚索深部围岩耦合作用数值模拟分析锚索支护的主要作用就是调动深部围岩强度[10].由图6,7模拟计算结果的对比可以看出(岩体弹模E =1000M Pa ,锚索弹模E =100GPa ,长度5m ),没有锚索支护时(图6a ),直墙半圆拱巷道周围形成“双耳”应力集中关键部位,常常造成巷道两肩剪坏,同时,顶部应力集中程度较高(图7a );在应力集中关键点上施工锚索(图6b )后,浅部围岩剪应力集中程度明显减小,深部岩体的剪应力水平显著增加,同时顶部应力集中程度大幅度降低(图7b ),使深部围岩岩体e y 发生集中,表明调动了深部岩体强度,控制了浅部岩体的稳定性.168 中国矿业大学学报 第34卷图6 不同支护条件下巷道围岩f x y 应力图Fig.6 N ume rical simula tio n r esult o f f x y distribution of sur rounding r ock under diffe rent suppor t condition图7 不同支护条件下巷道围岩e y 应力图Fig .7 N umerical simula tio n result o f e y dist ributio n of sur rounding r ock under diffe rent suppor t conditio n通过比较可以看出,施加锚索支护后与施加前巷道围岩应力分布具有明显不同,主要表现在施加锚索支护后,剪应力明显向巷道深部围岩延伸、扩张,应力集中程度相对减小,在巷道围岩深部锚索顶端出现拉应力集中区.这说明由于锚索的作用,使巷道深部岩体也承担了浅部围岩的支护荷载,从而减小了巷道的变形量.同时,巷道开挖后,围岩的强度由空区向深部逐渐增大到原岩强度,通过锚索的作用,调动了巷道深部围岩的强度,从而达到了对巷道浅部围岩的支护效果.5 结 论根据以上研究结果,可以将软岩巷道耦合支护的特点归纳如下:1)最大限度地利用围岩的自承能力;2)最大限度地发挥刚性锚杆的支护能力;3)充分转化了围岩中膨胀性塑性能;4)适时支护,主动促稳而不是被动等稳;5)利用深部围岩强度,达到对浅部围岩的控制;6)围岩和支护体实现了优化组合,从而使支护系统达到耦合的最佳支护状态.通过多年的理论研究和工程实践,深部开采软岩巷道耦合支护技术不断得到完善和发展,解决了所承担的煤炭、水利、交通、国防等22个工程单位31项关键工程和国际合作项目中的软岩难题,取得了显著的经济效益和社会效益.参考文献:[1] 晏玉书.我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展趋势[A ].何满潮:中国煤矿软岩巷道支护理论与实践[C].徐州:中国矿业大学出版社,1996.1-17.[2] 何满潮,景海河,孙晓明.软岩工程力学[M ].北京:科学出版社,2002.[3] 韩瑞庚.地下工程新奥法[M ].北京:科学出版社,1987.[4] 董方庭.巷道围岩松动圈支护理论及其应用技术[M ].北京:煤炭工业出版社,2001.[5] 朱效嘉.锚杆支护理论进展[J].光爆锚喷,1996(3):1-4.Zh u X J .Th e dev elo pm ent of bo lt suppo r t theo ry [J ].Smo o th Bla sting and Bolt -Sho tcr eting ,1996(3):1-4.[6] 何满潮,吕晓俭,景海河.深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念[J ].岩石力学与工程学报,2002,24(8):1215-1224.He M C,Lv X J,J ing H H.The char acters o f sur-ro unding rock in deep e ngineering a nd its 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群坑开挖耦合效应数值模拟研究
摘要：采用大型三维有限元程序对复杂深基坑进行三维数值模拟研究，定量分析了坑中坑这一群坑工程开挖引起的耦合效应，包括开挖引起的围护结构的变形、坑外地表沉降、坑中支撑轴力的影响。
关键词：数值模拟；坑中坑；耦合效应
中图分类号： tv551.4文献标识码：a 文章编号：
0 引言
当不同建设项目在同一区域综合建设时，会先后进行一系列大小、形状、深度不同的基坑施工，由于受施工影响的土体范围存在叠加，造成基坑工程间存在相互影响与耦合作用，多个基坑开挖对外存在耦合与叠加作用，基坑群开挖作用结果与单个基坑开挖不同，与群坑的形状、大小、空间相对位置、施工顺序有关，这些作用与其作用结果共同组成“群坑效应”。
“群坑效应”最主要的影响因素为群坑开挖耦合效应。
其主要作用结果为群坑内部子基坑开挖的相互作用与对外影响的耦合叠加，坑中坑是群坑典型代表。
本文采用flac3d数值计算方法主要对自然博物馆工程总的坑中坑开挖引起耦合效应进行分析。
1 工程概况
工程位于上海市静安区，地块内有自然博物馆工程、地铁13#线1期9标段自然博物馆站工程、静安60#地块三个大型工程。
在地下空间的建设上形成了以自然博物馆、静安60#地块基坑为主体，
叠加轨交车站基坑的多重组合式深大异形基坑群工程，为减少群坑施工相互影响，将基坑群进行了合理划分，工程划分情况及周边环境见图1。
地铁13#号线自然博物馆站为为下穿自然博物馆基坑的坑中坑，先开挖自然博物馆大基坑，开挖到底板后继续开挖13#线车站基坑。
图1 基坑分区与周边环境
2 模型建立
（1）模型及边界条件
结合工程实际情况，由于工程三个大型基坑的几何形状并不对称，分步施工会造成影响的叠加，故采用全模型进行计算。
基坑开挖的影响深度为开挖深度的2~4倍，影响宽度为开挖深度的3~4倍，确定模型长为450m、宽为230m、高为60m，采用八面体网格，计算单元15万个。
采用位移约束条件：地表面为自由面；模型四周约束法向水平方向位移，底面约束（x、y、z）3个方向位移，基坑周边存在大型建筑楼体，考虑到最不利的因素，在距基坑边缘15 m处施加均布荷载200kpa。
计算过程中，首先生成初始应力平衡，再模拟实际工况分步骤地进行地连墙施做和土体分区的开挖与加撑，土体开挖与支撑通过关闭和激活实体单元与结构单元实现。
有限元计算模型如图2所示。
图2 整体计算模型与网格
（2）材料选取及材料参数
经验表明，在上海地区采用软土模型更适合，所以土体采用修正剑桥模型，采用上海经验参数，地下连续墙采用弹性模型。
钢支撑与钢管支撑采用结构单元——梁单元（beam），梁结构单元由两个节点之间具有相同对称截面的直线段构成，一个整体的结构梁则由许多这样的梁结构组成而成。
3 坑中坑开挖耦合效应分析
（1）围护结构变形
本工程中坑中坑开挖耦合效应典型的地区为车站区间开挖对自然博物馆的影响，由于大型基坑通常形状不规则，选取典型断面监测点，对围护结构交汇点的围护墙位移进行分析。
为简化计算，自然博物馆开挖深度为17m，车站区间在自然博物馆的基础上开挖再开挖8m。
图3自然博物馆围护结构上的监测点
各监测点在不同施工阶段的位移如图4所示：
图4 围护结构交汇点的围护墙位移
（2）坑外地表沉降
针对各坑开挖过程地表变形的累计曲线进行研究，每步工况下的沉降曲线不断的累计叠加，选取本工程中的多个坑外地表沉降监测点，选取存在叠加的重点位置，测点如图5所示：
图5 自然博物馆外沉降点
监测点的沉降监测从南基坑开挖阶段即开始进行，不仅可以研究60#地块开挖对沉降的影响，还可以监测整个施工过程地表沉降的
变化。
相关地表沉降监测点沉降监测数据如图6所示：
图6 自然博物馆外地表沉降点时程曲线
从数据统计结果表明，受周围基坑开挖的影响，地表出现变形，开挖自然博物馆时，地表变形迅速增大，造成的地表沉降量约占总沉降量的70%。
区间开挖会继续增大坑外地表变形，约占总变形量的15%，区间开挖还会改变沉降槽的形状，最大变形量由距离基坑20m变为距离基坑15m处，可见区间开挖对坑外土体的扰动较大，并且墙壁处土体也出现沉降。
（3）坑中坑开挖支撑受力
群体基坑一般面临平面布置异形，坑内纵深存在落差。
因此存在坑中坑的现象，坑中坑的支撑受力及在开挖过程中上部支撑的受力与普通基坑不同，所以应该研究坑中坑的支撑受力和在开挖区间过程中上部支撑的受力情况，对自然博物馆下部车站区间开挖过程中坑中坑的支撑和自然博物馆的支撑进行测点监测，测点位置如图7所示：
图7 测点布置图
取开挖下部基坑这一过程的轴力和弯矩来研究群坑支撑体系面临的危害，自然博物馆下部车站区间在开挖期间的支撑受力随时间变化如图8所示：
图8 自然博物馆下部车站区间的支撑受力随时间变化
开挖车站区间过程自然博物馆基坑支撑受力随时间变化如图9所示：
图9 开挖车站区间过程自然博物馆基坑支撑受力随时间变化
所以由图9可知，区间开挖期间，区间内支撑受力不断增加，上部支撑由于区间的开挖受力增大，第一道和第三道撑的的变化较正常开挖要缓，但第二道和第四道撑较正常开挖受力变化要快。
4 小结
由群坑开挖耦合效应分析可得，对坑中坑工程，主要变形发生在上部开挖过程中，下部坑中坑的深部开挖会增大上部大基坑墙体的变形；下部基坑开挖会继续增大坑外地表变形，约占总变形量的15%，下部基坑开挖还会改变沉降槽的形状，最大变形量由距离基坑20m变为距离基坑15m处，可见区间开挖对坑外土体的扰动较大，并且墙壁处土体也出现沉降；下部基坑开挖期间，下部基坑内支撑受力不断增加，上部支撑由于区间的开挖受力增大，第一道和第三道撑的的变化较正常开挖要缓，但第二道和第四道撑较正常开挖受力变化要快。
参考文献：
赵琪.软土地基条件下多层次复合基坑群高效施工组织研究[j].建筑机械化，2012，(增)：64-67.。