正交试验设计在桩锚支护深基坑变形数值模拟中应用摘要：该研究依托于钟鼓楼北京时间博物馆基坑工程，对深开挖进行了多因素多水平的有限元数值模拟，从而分析各因素对基坑变形的影响。采用MIDASGTS软件建立了有限元模型，以基坑水平位移为目标值，对影响支护效果的因素超载、围护桩直径、围护桩嵌固深度、锚杆长度、锚杆倾角、锚杆位置、锚固力等进行了5因素的4水平正交试验设计，并对试验结果进行极差分析，得出深开挖中的各个因素对桩锚支护深开挖变形的影响程度。分析结果表明：超载对基坑最大水平位移影响比较大，锚杆位置的影响次之，其他因素诸如桩径、锚固力等对基坑变形的影响较小。关键词：正交试验设计基坑水平变形有限元数值模拟桩锚支护中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1007-3973(2013)012-001-031引言20世纪90年代后，我国土木工程建设得到了飞速发展，建筑物越来越高，地下建筑设施越来越多，地下停车库、地下商店、地下铁道车站、地下人防工程等大量建造，基坑开挖深度超过10m的随处可见，并且工程条件更加复杂，土体情况多样，基坑周围建筑物密集并有交错的管道分布，这些因素导致基坑工程的难度大大提升。然而对于基坑工程的准确预测受到很多方面因素的影响，从诸多因素中找到某个或者少量的某几个对基坑支护影响明显的因素可以更好的指导基坑工程，从而使得工作人员可以抓主要矛盾，提高效率，降低成本。正交试验设计是用于多因素试验的一种科学分析方法，它是从全面试验中挑选出部分具有代表的点进行试验，这些代表点具有均匀和整齐的特点。正交试验设计是基于方差分析模型的部分因子设计方法，水平较少的情况下具有很高的效率，经常用来对试验进行统筹安排，以便尽快找出试验中各参数对试验结果的影响程度。在桩锚联合支护中，根据工程经验，对支护效果影响的因素有超载、面层厚度、围护桩直径、围护桩嵌固深度、锚杆长度、锚杆角度、锚固力等。本文依托于钟鼓楼北京时间博物馆基坑工程，分析研究了多层桩锚支护深基坑的上述变形影响因素，并利用MIDASGTS有限元软件数值模拟深开挖变形，对数值模拟进行正交试验设计，找出了各因素敏感程度，得出了超载等因素对基坑变形起控制作用，并就重要的设计参数进行了讨论，希望能够给基坑工程的变形控制提供指导性的意见。2正交试验方法正交试验设计是利用“正交表”进行科学地安排与分析多因素试验的方法，是一种高效、快速、灵活的多因素单效应变量试验方法。其主要优点是能在很多试验方案中挑选出代表性强的少数几个试验方案，并且通过这少数试验方案的试验结果的分析，推断出最优方案，同时还可以作进一步的分析，得到比试验结果本身给出的还要多的有关各因素的信息。同常规方法相比，可大大减少试验次数和设计分析的繁杂，所获取的因素水平组合亦能达到较佳水平，因此己被广泛应用。例如，作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9(33)正交表安排实验，只需做9次，按L18(37)正交表进行18次实验，显然大大减少了工作量。正交设计已有几十年历史，60年代末期在我国开始普及使用，70年代迗到高潮，许多高校已将试验设计(正交设计和均匀设计占主要地位)列入教学计划之中。长期实践证明，由于正交试验设计的简便易学、科学高效、效果显著等特点，其已成为研究人员普遍使用的几种试验设计方法之一。3算例分析3.1工程概况工程位于北京市东城区交道口街道鼓楼东大街及地安门大街交汇处的东南角，后钟鼓楼北京时间博物馆基坑实际开挖深度15.30m，基坑支护采用桩锚联合支护体系，围护桩冠梁顶部设置组合柱砖墙护桩直径800mm，桩间距1500mm,桩身材料为C25砼。共设置4道预应力锚杆，设计拉力值分别为300kN，350kN,400kN,400kN。根据岩土工程勘察报告，场地土自上而下依次为：（1）素填土；（2）细砂；（3）粘土；（4）粉土；（5）粘土；（6）细砂；（7）圆砾；（8）细砂。表1列出了场地土的物理力学性质指标，包括厚度、重度、弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角。3.2基坑开挖数值模拟利用MIDASGTS所建立的桩锚支护模型如图1所示，数值模拟基坑水平位移...