摘 要:支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形受多個(gè)因素的影響,結(jié)合江蘇無(wú)錫市太湖大道改造工程,使用ABAQUS軟件建模并對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了二維有限元分析,通過(guò)系統(tǒng)的參數(shù)分析,研究了連續(xù)墻的剛度、連續(xù)墻的入土深度、水平支撐的豎向間距對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響,提出了經(jīng)濟(jì)有效的變形控制對(duì)策。
關(guān)鍵詞:基坑變形 有限元 影響因素
中圖分類號(hào):U44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)09(a)-0129-02
基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素是其變形控制的重要內(nèi)容之一[1-2],為了進(jìn)一步研究大型深基坑變形的影響因素,本文依托無(wú)錫市太湖大道改造工程的大型基坑,通過(guò)ABQUS軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行二維有限元數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形影響的幾個(gè)因素,這對(duì)深基坑工程變形控制理論研究和實(shí)踐應(yīng)用都具有重要的意義。
1 工程概況
本工程起點(diǎn)位于京杭大運(yùn)河金匱橋,往東橫穿太湖廣場(chǎng),之后向東穿過(guò)清揚(yáng)路、通揚(yáng)路、古運(yùn)河、金塘橋、塘南路、興源路立交、京滬鐵路、城際鐵路、冷瀆港橋和長(zhǎng)江北路,最后到達(dá)本工程終點(diǎn)廣南立交。隧道全線擬采用明挖法施工,除特殊位置外,圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本擬采用SMW工法。
基坑開(kāi)挖順序:
(1)開(kāi)挖土體至第一道支撐底,澆筑頂圈梁及第一道鋼筋混凝土支撐
(2)待頂圈梁及第一道混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,開(kāi)挖土體至第二道支撐底,固定鋼圍囹及架設(shè)鋼系桿,設(shè)置第二道鋼支撐,并對(duì)支撐預(yù)加軸力;
(3)開(kāi)挖土體至第三道支撐底,固定鋼圍囹及架設(shè)鋼系桿,設(shè)置第三道鋼支撐,并對(duì)支撐預(yù)加軸力;
(4)開(kāi)挖土體至坑底,澆筑素混凝土墊層;澆筑結(jié)構(gòu)底板,待結(jié)構(gòu)底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,拆除第三道支撐;
(5)澆筑側(cè)墻、中板,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后,拆除第二道支撐;
(6)澆筑側(cè)墻、頂板,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可拆除第一道支撐。
2 有限元分析
2.1 基本假設(shè)
對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析時(shí),最優(yōu)的選擇是在精確性、可靠性和效率性中尋找平衡點(diǎn),在抓住最主要的計(jì)算目標(biāo)的前提下,盡可能簡(jiǎn)化。因此,一些對(duì)模型和參數(shù)等條件的假設(shè)的存在就具有必要性。
(1)為了方便賦予模型各部件材料屬性,圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)假設(shè)為彈性體,土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體;
(2)開(kāi)挖前,土體在自重狀態(tài)下正常固結(jié),開(kāi)挖以前不考慮土體原位應(yīng)力和形狀的改變;
(3)在整個(gè)施工進(jìn)程中土體的力學(xué)指標(biāo)沒(méi)有變化,且不考慮滲流影響。
2.2 參數(shù)選取及有限元模型
該基坑工程地基土的本構(gòu)模型的彈性部分采用線彈性模型,塑性部分采用Mohr-Coulomb模型。地基土成層沉積而成,呈層狀分布,各層土的性質(zhì)較均勻,且各層之間差異較大,因此可以將地基土近似看作由有限個(gè)體均勻各向同性的地基共同組成的層狀地基來(lái)處理,分層可以根據(jù)地基的天然分層情況來(lái)決定。由于現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)報(bào)告給出的通常是土體側(cè)限條件下的壓縮模量,在實(shí)際ABAQUS中采用的是材料的彈性模量,因此需根據(jù)土力學(xué)理論公式進(jìn)行土體材料彈性模量的換算[3]:
(1)本著有利于建模和計(jì)算的原則,SMW工法圍護(hù)結(jié)構(gòu)可按等效剛度原理轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻:
軸向剛度:(2)
彎曲剛度:(3)
式中:t為等效后墻體厚度,E、Eeq為等效前、后樁基的材料彈性模量,EA為軸向剛度,EI為彎曲剛度。
通過(guò)計(jì)算取墻厚度為0.8m。第一道支撐的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,第二三道支撐均為C35。關(guān)于泊松比ν的求取,可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法,不過(guò)一般不易測(cè)得準(zhǔn)確。由于地基土的ν值常常都在0.3~0.4左右,變化范圍不大,所以在工程計(jì)算中往往憑經(jīng)驗(yàn)選取。
3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素分析
3.1 連續(xù)墻厚度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響
連續(xù)墻的厚度是墻體設(shè)計(jì)的重要參數(shù),墻體的厚度決定了墻體的剛度,直接關(guān)系到水平位移大小。厚度太大,不利于發(fā)揮巖土體自有的自承能力,造成不必要的浪費(fèi);連續(xù)墻厚度太小就會(huì)使基坑變形較大并影響到鄰近建筑物的安全。江蘇地區(qū)常用的地下連續(xù)墻厚度為0.6m、0.8m、1.0m,最大厚度為1.2m。因此,只對(duì)這4種厚度進(jìn)行研究,各計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)完全一樣,只是連續(xù)墻的厚度發(fā)生改變。
(圖1)為采用不同厚度的連續(xù)墻在開(kāi)挖結(jié)束后基坑的最大變形。從圖中可以看出采用不同厚度的連續(xù)墻時(shí),各變量隨深度變化的規(guī)律基本相同,即連續(xù)墻的水平變形為墻體頂端和底端位移較小中部變形較大,向基坑內(nèi)凸出,整體表現(xiàn)為弓形。從圖中還可以看出連續(xù)墻水平位移對(duì)于墻體厚度的變化比較敏感。隨著連續(xù)墻墻體厚度的增大,水平位移變化明顯。當(dāng)墻體從0.6m增加到1.2m時(shí),墻體水平位移從13.03mm減小到8.12mm,可見(jiàn)增厚墻體能夠有效地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形。同時(shí),墻體每次增厚的梯度為0.2m,但連續(xù)墻水平位移比率減小,而減小的速率逐漸變小。即當(dāng)墻體厚度較小時(shí),增加單位厚度,位移減小顯著。但墻體厚度增大以后,這種因墻體厚度增加而減小的位移會(huì)越來(lái)越小。另外連續(xù)墻變形最大位移點(diǎn)位置變化范圍較小,始終在標(biāo)高3.0m附近。這種現(xiàn)象依舊可以將連續(xù)墻看作彈性地基梁,用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)來(lái)解釋:即當(dāng)梁的約束條件和受力條件沒(méi)有發(fā)生變化時(shí),改變梁的剛度(即墻體厚度),可以改變梁的變形大小,但對(duì)梁的變形形式和極值位置沒(méi)有影響[4]。
由(表1)還可以更精確的看出連續(xù)墻體隨著厚度變化導(dǎo)致的變形變化。而且下表也反映了連續(xù)墻單位厚度對(duì)控制水平位移的貢獻(xiàn)值。這個(gè)值隨著墻體厚度的增大在不斷減小,當(dāng)連續(xù)墻體從0.6m增加到1.2m時(shí),貢獻(xiàn)值從27.72mm/m減小到6.77mm/m。這種規(guī)律在經(jīng)濟(jì)學(xué)上稱為邊際效益遞減,即逐次增加單位資源的投入,帶來(lái)總收益的增加,但單位收益逐漸減小。邊際效益遞減規(guī)律還顯示資源的不斷投入使收益的增長(zhǎng)速度不斷變慢,其最終趨于峰值。表1也充分反映了墻體厚度和墻體位移之間也遵從這樣的規(guī)律,墻體厚度從0.6~1.2m之間變化時(shí),增大墻體厚度對(duì)于減小墻體水平位移始終有效,但對(duì)于墻體水平位移影響有著明顯的邊際效益遞減現(xiàn)象。由此可見(jiàn),改變墻體的厚度實(shí)質(zhì)上是改變了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度,這對(duì)于控制墻體的水平位移具有很好的效果(圖1、2)。
3.2 連續(xù)墻深度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響
圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo),很多事故就是因?yàn)閴w插入深度不夠,導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜坍塌,它不僅涉及到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,還要考慮安全性。研究時(shí)各計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)與之前模型完全一樣,只是連續(xù)墻的深度發(fā)生改變。
從圖2中可以看到隨著圍護(hù)墻深度的增加,水平位移最大點(diǎn)以上的墻體變形變化比水平點(diǎn)以下的墻體位移變化明顯大一些,墻體底端的變化最為明顯。當(dāng)連續(xù)墻深度為0.5H時(shí),由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度太小,基坑內(nèi)的土體抗力不能支擋結(jié)構(gòu)變形時(shí),墻體底端的變形就會(huì)急劇變大,也就形成了工程中所說(shuō)的“踢腳”現(xiàn)象。圖中的“踢腳”現(xiàn)象十分明顯,包括當(dāng)連續(xù)墻深度為H時(shí),連續(xù)墻的底部都有一定的“踢腳”現(xiàn)象。另外,當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度太?。ㄈ?.5H),連續(xù)墻在開(kāi)挖結(jié)束后的最大水平位移已經(jīng)超過(guò)了預(yù)警值,并且從圖中趨勢(shì)可以看出,連續(xù)墻下的土體變形將更大,所以圍護(hù)機(jī)構(gòu)深度小容易導(dǎo)致變形大,重則導(dǎo)致?lián)跬两Y(jié)構(gòu)破壞、基坑失穩(wěn)危及周圍環(huán)境。墻體從1.5H加長(zhǎng)2H時(shí),墻體最大位移點(diǎn)的位移由9.07mm減小到8.53mm,只變化了0.54mm。因此可以看出繼續(xù)增加墻體入土深度對(duì)穩(wěn)定性和變形的影響不大。
另外,圖中連續(xù)墻深度在H、1.5H和2.0H時(shí)連續(xù)墻的墻體變形不是特別明顯,這是由于原設(shè)計(jì)方案中的三道支撐影響,對(duì)于有支撐設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般只要及時(shí)架設(shè)支撐,通常不會(huì)發(fā)生整體性失穩(wěn),而且對(duì)變形的影響也不顯著,因此可以相對(duì)減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度。
通過(guò)本文的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于有內(nèi)支撐的基坑,當(dāng)達(dá)到一定深度后繼續(xù)增加墻體的入土深度對(duì)改善墻體的側(cè)向變形和地表沉降的作用不是特別明顯,另外增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度往往需要很大的投資,因此在滿足基坑穩(wěn)定性的前提下,應(yīng)該尋求其它的方法來(lái)控制墻體的變形。其實(shí)當(dāng)墻體深入到凝灰?guī)r中后,繼續(xù)增加連續(xù)墻的深度,墻體位移應(yīng)該幾乎保持不變[5]。
4 結(jié)語(yǔ)
參數(shù)分析結(jié)果表明,在墻體厚度較小時(shí),墻體厚度增加可以明顯的減小墻體的水平位移,但隨著墻體厚度的增大,這種依靠增加厚度來(lái)減小墻體水平位移效果會(huì)很差。對(duì)于有內(nèi)支撐的基坑,當(dāng)達(dá)到一定深度后繼續(xù)增加墻體的入土深度對(duì)改善墻體的側(cè)向變形和地表沉降的作用不明顯。如果支撐作用位置設(shè)置合理,可相對(duì)地減小地連墻的側(cè)移。
參考文獻(xiàn)
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