淺析時(shí)空效應(yīng)規(guī)律在黃土深基坑工程中的運(yùn)用

李 軍

(陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723001)

1 引言

通過(guò)大量的黃土基坑實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在深基坑施工過(guò)程中，每個(gè)開(kāi)挖步驟的開(kāi)挖空間幾何尺寸、圍護(hù)墻無(wú)支撐暴露面積和時(shí)間等施工參數(shù)對(duì)基坑變形具有明顯的相關(guān)性。而這恰恰就是基坑的時(shí)間、空間效應(yīng)問(wèn)題。本文以某工程為例，論證了對(duì)它的研究有利于深基坑整體穩(wěn)定和坑周地層位移控制問(wèn)題，從而科學(xué)的、經(jīng)濟(jì)合理的安排施工可達(dá)到基坑穩(wěn)定和控制變形的要求。

2 工程實(shí)例

2.1 陜西某深基坑工程概況。

陜西咸陽(yáng)某年產(chǎn)60萬(wàn)噸甲醇項(xiàng)目，基坑?xùn)|西長(zhǎng)180m，寬50m，挖深 －12.8m，(局部挖深 17.8m)，屬于深大基坑，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)。該場(chǎng)地地下水位高度約－15.9m，支護(hù)結(jié)構(gòu)形式在－12.8m以上采用鋼筋土釘墻支護(hù)，－17.8m處卸煤槽以東，南邊及輸煤棧橋的東南面用錨拉護(hù)坡樁支護(hù)。

2.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

基坑邊坡采用鋼筋土釘進(jìn)行支護(hù)。鋼筋直徑為?－20，長(zhǎng)度分別為 L=9m、11m、6m，傾角為 13°?；邮┕D見(jiàn)圖1。實(shí)際上，土工格柵模擬注漿體周?chē)嬖谥鴱?fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)。盡管二維模型不可能精確地模擬應(yīng)力狀態(tài)汲取與土的相互作用，但是在假設(shè)注漿體相對(duì)于土體沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)的情況下，可以在總體水平上模擬應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)的變形及穩(wěn)定性。不過(guò)，這一模型不能用來(lái)估計(jì)錨桿的拉力。

圖1 基坑支護(hù)施工圖

3 深基坑分步開(kāi)挖的有限元計(jì)算

3.1 幾何模型。

根據(jù)此基坑的實(shí)際尺寸以及該基坑的特點(diǎn)，選取深基坑模型的一半為研究對(duì)象。并假定模型的水平方向位移為零(左右邊界方向上)，允許在豎直方向上發(fā)生變形，如圖2所示。3.2初始條件。

圖2 幾何模型

由于該工程施工是在降水施工之后，故不考慮孔隙水壓。默認(rèn)地下水位線為基坑底部。該模型初始應(yīng)力計(jì)算由PLAXIS程序計(jì)算所得(如圖3)。

圖3 初始應(yīng)力分布圖

4 計(jì)算結(jié)果與分析

本過(guò)程分11步進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)。第一步開(kāi)挖深度為2.0m(如圖4、圖5);第二步在1.4 m深度處設(shè)置土釘以及高壓注漿，并開(kāi)挖至4.0 m;第三步在2.8 m處設(shè)置土釘以及高壓注漿，并開(kāi)挖至5.0 m，設(shè)置1.2 m的二級(jí)平臺(tái)，在4.2 m處設(shè)置土釘以及高壓注漿;第四步開(kāi)挖至7.0 m并在5.6 m處設(shè)置土釘以及高壓注漿;第七步開(kāi)挖至8.0 m，并在7.0 m處設(shè)置土釘以及高壓注漿;第八步在8.4 m處設(shè)置土釘以及高壓注漿，并開(kāi)挖至10.0 m;第九步在9.8 m處設(shè)置土釘以及高壓注漿，并開(kāi)挖至12.0 m;第十步在11.2 m處設(shè)置土釘以及高壓注漿，并開(kāi)挖至12.8 m;第十一步在12.6 m處設(shè)置土釘以及高壓注漿(如圖6、圖7)。

由圖中可看出，水平位移最大值發(fā)生在支護(hù)結(jié)構(gòu)的頂面，距離開(kāi)挖面越近，位移越大。而且在一定范圍，位移下部小，上部大。該基坑在開(kāi)挖中的側(cè)向變形在80mm左右，與軟件計(jì)算的變形相同，說(shuō)明該土釘支護(hù)設(shè)計(jì)在控制基坑的時(shí)間和空間效應(yīng)方面起到了作用，具體來(lái)講，有以下幾個(gè)方面:

圖4 開(kāi)挖至－2.0m的水平位移場(chǎng)

圖5 開(kāi)挖至－2.0m的垂直位移場(chǎng)

圖6 開(kāi)挖至－12.8m的水平位移場(chǎng)

圖7 開(kāi)挖至－12.8m的垂直位移場(chǎng)

(1)隨著基坑的不斷開(kāi)挖，基坑在大小尺寸、土中應(yīng)力等方面不斷的發(fā)生變化，兩者相互影響?；娱_(kāi)挖改變尺寸、深度，深度加深影響土中應(yīng)力、水平位移的變化。

(2)由于存在時(shí)間空間效應(yīng)，基坑的開(kāi)挖伴隨著坑底土的隆起量的變化，但開(kāi)挖到一定寬度后，變形量基本不再發(fā)生大的變化，它們之間呈現(xiàn)近似雙曲線的關(guān)系。

(3)隨著基坑的開(kāi)挖，支護(hù)的施工(土釘?shù)闹萌?，土釘參與土中力的作用。它傳遞著土中力并改變土體的受力狀態(tài)，從而推遲土體的開(kāi)裂。同時(shí)使土釘分布域內(nèi)剪應(yīng)力變得相對(duì)較小，從而充分發(fā)揮土釘周?chē)馏w自身的承載能力。

(4)由于土釘?shù)闹萌?，使得土體在受到力的作用時(shí)，土釘被動(dòng)受到拉應(yīng)力，從而約束土體，起到加固穩(wěn)定的作用。另外，基坑周?chē)馏w的側(cè)壓力由土釘和土體共同承擔(dān)，進(jìn)而達(dá)到維護(hù)穩(wěn)定的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文選取某黃土基坑作為分析對(duì)象，通過(guò)模擬基坑的開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程，了解基坑時(shí)空效應(yīng)在黃土地區(qū)產(chǎn)生的影響，從而在考慮時(shí)空效應(yīng)的基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)采取合理有效的措施，科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的控制好基坑變形。

［1］張燕凱.深基坑工程中考慮開(kāi)挖深度和時(shí)間效應(yīng)的土壓力計(jì)算公式的探討［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(工科版)，2002，24(l):80 －91.

［2］楊雪強(qiáng)，劉祖德，等.論深基坑支護(hù)的空間效應(yīng)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1998，20(2):32 －49.

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［4］向華龍.巖體工程開(kāi)挖及蠕變的三維有限元解法［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1984，6(6):60 －70.