李 濤
近年來我國(guó)的高層建筑不斷增加,深基坑工程愈來愈多。進(jìn)行基坑開挖時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與周圍地表沉降成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題[1,2],尤其在含水量大、滲透系數(shù)小的軟土地區(qū)開挖時(shí),由于基坑開挖卸載將在坑底和周圍土體中產(chǎn)生負(fù)的超孔隙壓力[3],使得開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)坑底的隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形并不會(huì)立即完成。在國(guó)外,Whittle(1993)[5],Ou & Lai(1994)[6]等較早的研究了負(fù)超孔隙壓力的消散以及帶來的影響;在國(guó)內(nèi),連鎮(zhèn)營(yíng)(2001)[8],李廣信(2001)[9],李玉岐等(2005)[10]分別研究了滲透系數(shù)對(duì)基坑開挖過程中負(fù)超孔隙水壓力消散以及消散過程中對(duì)擋墻穩(wěn)定和基坑隆起的影響。本文主要利用ABAQUS有限元軟件建立二維基坑開挖模型,利用修正劍橋土體本構(gòu)模型,研究基坑開挖過程中負(fù)超孔隙壓力的消散對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
圖1 有限元分析網(wǎng)格劃分圖
表1 修正Cam-Clay模型的計(jì)算參數(shù)
太原市某深基坑工程,假定地下水位位于地表,基坑長(zhǎng)約100 m,寬約30 m,平面呈矩形分布,基坑開挖深度10.0 m,地面標(biāo)高為±0.0 m,基坑底標(biāo)高為 -10.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁錨支護(hù),在3 m,6 m分別打長(zhǎng)度為15 m和20 m的土層錨桿,樁截面直徑0.8 m,基坑分3步開挖,每步開挖3 m,3 m,4 m,每步開挖后的施工間歇時(shí)間分別為10 d,20 d,30 d。因荷載分布,施工條件等均為軸對(duì)稱,以基坑各邊中線為對(duì)稱軸,根據(jù)對(duì)稱性,取基坑的1/2作為計(jì)算區(qū)域建立二維模型。據(jù)基坑開挖影響范圍(水平方向)和影響深度分別約為開挖深度的3倍~4倍和2倍~3倍,取計(jì)算區(qū)域?yàn)?0 m×30 m。土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格剖分如圖1所示。為便于計(jì)算,選取土體參數(shù)的加權(quán)平均值,取土體豎向和水平向滲透系數(shù) k=1.2×10-6m/s,土體干密度 rd=1 342 kg/m3,飽和密度rsat=1 847 kg/m3,土體為完全飽和土,飽和度為1.0,孔隙比1.02,土體本構(gòu)模型采用修正的Cam-Clay模型,其計(jì)算模型的計(jì)算參數(shù)見表1;樁支護(hù)結(jié)構(gòu)單元采用梁?jiǎn)卧M,支護(hù)單元模型采用線彈性模型,彈性模量取2.6×109Pa,泊松比取為0.25;每步開挖結(jié)束后假設(shè)基坑開挖底面孔壓為0。
各步開挖結(jié)束時(shí),基坑的負(fù)超孔隙壓力的有限元結(jié)果和各步施工間歇期結(jié)束后負(fù)超孔隙壓力的有限元結(jié)果如圖2~圖7所示。各步開挖結(jié)束時(shí)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩和變形及施工間歇期結(jié)束后對(duì)比圖如圖8,圖9所示。
圖2 第一步開挖結(jié)束后負(fù)超孔隙壓力分步云圖
圖3 第一步開挖結(jié)束10 d后負(fù)超孔隙壓力分步云圖
圖4 第二步開挖結(jié)束后負(fù)超孔隙壓力分步云圖
圖5 第一步開挖結(jié)束20 d后負(fù)超孔隙壓力分步云圖
對(duì)比分析施工結(jié)束后和超靜孔隙水壓力消散后樁身彎矩的變化(見圖8),可以發(fā)現(xiàn),前兩步開挖結(jié)束后和超靜孔隙水壓力消散后對(duì)比,樁身最大正彎矩基本無變化,最大負(fù)彎矩有明顯增大,第一步開挖結(jié)束后和第一次超靜孔隙水壓力消散后對(duì)比,最大負(fù)彎矩從58.9 kN·m增大到64.7 kN·m,增大幅度13%;第二步開挖結(jié)束后和第二次超靜孔隙水壓力消散后對(duì)比,最大負(fù)彎矩從192 kN·m增大到206 kN·m,增大幅度7%;第三步開挖結(jié)束后和第三次超靜孔隙水壓力消散后對(duì)比,負(fù)彎矩有所減小,正彎矩有所增大,最大負(fù)彎矩從352 kN·m回落到330 kN·m,回落幅度6.7%,最大正彎矩從170 kN·m增大到176 kN·m,增大幅度4%;綜合比較彎矩變化的情況,超靜孔隙水壓力消散對(duì)樁身內(nèi)力的變化是不利的。
圖6 第三步開挖結(jié)束后負(fù)超孔隙壓力分步云圖
圖7 第三步開挖結(jié)束30 d后負(fù)超孔隙壓力分步云圖
圖8 開挖結(jié)束與超靜孔隙水壓力消散后樁身彎矩對(duì)比圖
圖9 開挖結(jié)束后和超靜孔隙水壓力消散后樁身水平位移對(duì)比圖
對(duì)比施工開挖結(jié)束后和超靜孔隙水壓力消散后的樁身水平位移(見圖9)。從曲線圖可以看出,每一次超靜孔隙水壓力消散后樁身水平位移均有所增大,第一次超靜孔隙水壓力消散后和第一步開挖結(jié)束后對(duì)比,最大值增大了13 mm,第二次超靜孔隙水壓力消散后和第二步開挖結(jié)束后對(duì)比,最大值增大了5 mm,增大幅度較上步小,第三次超靜孔隙水壓力消散后和第三步開挖結(jié)束后對(duì)比,最大值增大了4 mm??梢?,超靜孔隙水壓力消散后樁身的變形均有不同程度的增大。
綜合比較超靜孔隙水壓力消散對(duì)樁身彎矩、樁身變形可知,隨著超靜孔隙水壓力的消散,樁身彎矩和變形均有不同程度的增大,超靜孔隙水壓力的消散對(duì)基坑施工工程中的穩(wěn)定性是不利的,結(jié)合計(jì)算結(jié)果并探討變化產(chǎn)生的原因,主要原因在于:開挖卸荷引起土中產(chǎn)生負(fù)的超靜孔隙水壓力,在初期的時(shí)候?qū)p少支護(hù)結(jié)構(gòu)上的總壓力,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是有利的,但隨著孔壓的恢復(fù),地基土有效應(yīng)力逐漸降低,土體變形產(chǎn)生膨脹,引起土體抗剪強(qiáng)度的降低,從另一方面來講,對(duì)于土體的卸荷過程,完成的初期是安全的,而消散后是不利的。這也就要求施工人員在進(jìn)行工程施工時(shí),快速施工,利用產(chǎn)生負(fù)超靜孔隙水壓力的初期,提高基坑施工過程中的穩(wěn)定性。
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