考慮地層非均勻性分布的基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移分析

王軍平

(甘肅省天水市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督管理處，甘肅 天水 741000)

考慮地層非均勻性分布的基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移分析

王軍平

(甘肅省天水市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督管理處，甘肅 天水 741000)

以深圳市某基坑開挖為實(shí)例，采用數(shù)值計(jì)算方法，在考慮軟土地層不均勻性的基礎(chǔ)上，建立了考慮地層非均勻分布的有限差分地質(zhì)模型。對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算中監(jiān)測(cè)了樁體的水平位移，并和未考慮地層不均勻性的支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種計(jì)算方法在模型的整體水平位移上有4.1%的差異，排樁的水平位移有28%的差異，彎矩分布上有8%的差異。因而考慮地層非均勻性分布的計(jì)算方法可以使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，有利于設(shè)計(jì)上保證基坑的安全性。

基坑工程；非均勻性；結(jié)構(gòu)內(nèi)力；軟土地層

0 引言

目前在城市建設(shè)中，大量采用了開挖基坑的方式來(lái)修建建筑物的基礎(chǔ)，且大部分基坑都位于軟土地層中?；又ёo(hù)體系的結(jié)構(gòu)內(nèi)力都來(lái)自于土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力，以往的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算都是按照靠近基坑側(cè)的土體豎向分布規(guī)律來(lái)計(jì)算軟土對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用力[1-2]。由于軟土地層的性質(zhì)多樣性以及空間分布的非均勻性，其對(duì)支護(hù)體系的作用力也存在空間上的多樣性，此作用力也就不能只是簡(jiǎn)單地按照均勻地層的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算。所以有必要通過(guò)建立考慮地層非均勻分布的地質(zhì)模型的方法，從支護(hù)體系內(nèi)力分布規(guī)律的角度來(lái)研究軟土地層對(duì)支護(hù)體系的作用力。

對(duì)于基坑支護(hù)體系的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，許多學(xué)者都做了大量的研究工作，如阮文軍[3]，通過(guò)對(duì)陽(yáng)邏長(zhǎng)江公路大橋南錨旋特大圓形深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力存在以下規(guī)律：1)內(nèi)襯的彎矩在基坑開挖和內(nèi)襯澆筑過(guò)程中出現(xiàn)周期性波動(dòng)，內(nèi)襯彎矩曲線出現(xiàn)周期性峰值。軸力多為壓力，拉力很少且數(shù)值很小。2)地連墻的彎矩變化規(guī)律與內(nèi)襯迥然不同。隨著內(nèi)襯施工的進(jìn)行，各深度處的彎矩和軸力變化曲線依次呈現(xiàn)“先大幅波動(dòng)、后平穩(wěn)變化”的趨勢(shì)。軸力多為壓力，且后期壓力比初期大。3)內(nèi)襯澆筑和基坑開挖施工是導(dǎo)致開挖面地墻彎矩大幅波動(dòng)的直接原因。其中，內(nèi)襯混凝土水化放熱產(chǎn)生一個(gè)正彎矩作用，使得上方各道內(nèi)襯的內(nèi)側(cè)鋼筋受壓，而基坑開挖則使得其作用逐漸弱化。4)溫度升高在內(nèi)襯中產(chǎn)生一個(gè)正彎矩作用，而溫度降低使內(nèi)襯中產(chǎn)生一個(gè)負(fù)彎矩作用。何敏[4]通過(guò)對(duì)貴陽(yáng)某深基坑的施工全過(guò)程數(shù)值模擬，找出了基坑支護(hù)體系的薄弱部位在距地面2～6 m的范圍內(nèi)，土釘?shù)氖芰σ?guī)律為基坑中部土釘受力較大，兩端較小。馬志創(chuàng)[5]通過(guò)對(duì)不對(duì)稱超載作用下的基坑支護(hù)體系的位移計(jì)算，總結(jié)出超載較大側(cè)的樁體位移比按對(duì)稱設(shè)計(jì)的樁體位移大，而超載較小的一側(cè)樁體位移比按對(duì)稱設(shè)計(jì)的小。周偉斌等[6]通過(guò)對(duì)不均勻開挖圓形基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及位移分析，總結(jié)出不均勻開挖會(huì)對(duì)按照均勻設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的不利影響。

以上研究部分對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算，并研究了基坑設(shè)計(jì)施工中的不均勻性問(wèn)題，但是都尚未涉及軟土地層本身的不均勻性。為更進(jìn)一步研究軟土地層中的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，需要將軟土地層的地層物理參數(shù)多樣性，以及地層空間分布多樣性加以考慮。本文以廣州某基坑工程為例，通過(guò)建立考慮地質(zhì)非均勻性的地質(zhì)模型，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算，并和未考慮地質(zhì)非均勻性的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，進(jìn)一步研究了基坑支護(hù)體系的內(nèi)力分布規(guī)律。

1 工程概況

本基坑項(xiàng)目位于深圳市，該工程區(qū)域地質(zhì)情況總體較為復(fù)雜?；娱_挖的深度為15 m，長(zhǎng)寬分別為60 m和40 m。通過(guò)地質(zhì)勘察發(fā)現(xiàn)本區(qū)域地表至地下共有13個(gè)不同的地層，以軟土和黏土為主，巖體的力學(xué)參數(shù)較弱。巖土體的主要分布情況如表1。

表1 地層特性表

2 數(shù)值模擬

本次計(jì)算采用大型通用有限差分計(jì)算軟件——Flac3D進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，基坑采用樁板墻+錨索組成的支護(hù)體系進(jìn)行支護(hù)。其中樁體采用長(zhǎng)30 m，直徑為1 m的灌注樁，土釘長(zhǎng)30 m，在每次開挖到一定深度后添加土釘，并將土釘和樁體連接。墻體采用厚30 cm的鋼筋混凝土。每次開挖到一定深度后立即澆筑墻體，并將墻體和樁連接。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖的影響范圍為3～5倍開挖深度，本基坑開挖深度為15 m，故數(shù)值模型的邊界取為90 m，高度取為40 m，有限差分計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格模型

計(jì)算模型包含了13個(gè)不同的參數(shù)的底層模型，其中底部未開挖部分底層從下至上分別為base1、base2、base3、base4、base5、base6和base7，開挖部分底層被分為了兩個(gè)部分，左側(cè)為開挖區(qū)，包括了excavate1、excavate2、excavate3、excavate4、excavate5、excavate6，右側(cè)未開挖區(qū)為 right1、right2、right3、right4、right5、right6。在計(jì)算中通過(guò)Flac3D的分組命名功能對(duì)不同的組按照表1中的參數(shù)賦予不同的材料參數(shù)，并且也采用了常規(guī)的參數(shù)均一化方法，將所有的組賦予同樣參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，得到了兩種略有差異的計(jì)算結(jié)果。

本次計(jì)算支護(hù)體系包括由樁單元、殼單元以及錨索單元組成，分別模擬設(shè)計(jì)文件中的抗滑樁、樁間墻和錨索。其計(jì)算參數(shù)按照設(shè)計(jì)文件取值。為消除邊界效應(yīng)影響，厚度取為5 m，在厚度方向共劃分4組單元，計(jì)算中對(duì)最中間的抗滑樁的水平位移和豎向位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土體水平位移分析

為了分析考慮地層非均勻性分布對(duì)基坑支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的影響，尤其是對(duì)抗滑樁的內(nèi)力和位移影響，在計(jì)算中設(shè)計(jì)了兩種計(jì)算模式。第一種為按照地層等效原則對(duì)所有地層進(jìn)行參數(shù)的均一化處理方式，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，第二種為對(duì)不同的地層按照實(shí)際情況賦予不同的地質(zhì)參數(shù)，然后進(jìn)行計(jì)算。兩種計(jì)算模式均求解至統(tǒng)一平衡。第一種和第二種計(jì)算方式的模型整體水平位移見圖2、3。

圖2 未考慮地層非均勻分布的整體水平位移等值圖

圖3 考慮地層非均勻分布的整體水平位移等值圖

由以上水平位移等值圖可以看出，在未考慮和考慮了地層非均勻分布的情況下，水平位移的最大值都出現(xiàn)在模型開挖邊界底部，這是因?yàn)樵谧髠?cè)開挖土體后，整個(gè)土體在開挖面以下一定深度范圍內(nèi)有從右向左移動(dòng)的趨勢(shì)。模型整體都出現(xiàn)了水平向左的位移，也表明開挖卸荷之后，巖土體在重力作用下整體向基坑移動(dòng)。兩種計(jì)算方法的水平位移最大值存在4.1%的差異，這是因?yàn)樵趯?shí)際地質(zhì)情況中，埋深較大的巖土體力學(xué)性質(zhì)較好，整體表現(xiàn)為剛性較大，所以按照實(shí)際情況對(duì)不同的巖土層賦予不同的計(jì)算參數(shù)能更加準(zhǔn)確地模擬出基坑開挖過(guò)程中的巖土體位移情況。

3.2 土體豎向位移分析

同樣對(duì)于模型的整體豎向位移而言，考慮地層非均勻性分布的計(jì)算結(jié)果和未考慮地層非均勻分布的計(jì)算結(jié)果也存在較大差異。表現(xiàn)為采用整體均一地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，遠(yuǎn)離基坑側(cè)的巖土較大體豎向位移位于模型右側(cè)區(qū)域，幾乎整個(gè)右側(cè)區(qū)域的豎向位移都較為一致，而考慮地層非均勻分布的豎向位移較大值出現(xiàn)在右側(cè)上部區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域的力學(xué)參數(shù)要弱于平均值，故出現(xiàn)了較大的豎向位移。對(duì)于基坑內(nèi)部土體而言，兩種情況的坑底隆起高度較為一致，均在12 cm左右，但也存在3%的差距，說(shuō)明采用非均勻分布地層參數(shù)的計(jì)算方法與采用平均地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算方法對(duì)求解基坑開挖過(guò)程有一定的影響(見圖4、5)。

3.3 抗滑樁位移和受力分析

為研究樁的受力和水平位移情況，計(jì)算中對(duì)抗滑樁的位移和彎矩進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。按照設(shè)計(jì)文件，樁長(zhǎng)30 m，計(jì)算中將樁劃分為30個(gè)單元，對(duì)排樁10個(gè)節(jié)點(diǎn)位移和彎矩進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其中考慮地層非均勻性分布和未考慮地層非均勻性分布的樁節(jié)點(diǎn)位移和彎矩如圖6。

圖4 未考慮地層非均勻分布的整體豎向位移等值圖

圖5 考慮地層非均勻分布的整體豎向位移等值圖

由圖6可以看出，在本基坑工程算例中，考慮地層非均勻性分布的排樁各節(jié)點(diǎn)位移在排樁的頂部和底部存在較大差異。考慮地層非均勻分布的排樁樁頂和樁底位移分別為24 mm和21 mm，未考慮地層非均勻性分布的排樁樁頂和樁底位移分別為19 mm和27 mm，樁頂?shù)奈灰撇町愡_(dá)到了26%，樁底的位移差異達(dá)到了28%。這是因?yàn)樵诖嘶庸こ讨校撞繋r土體的力學(xué)性能較頂部巖土體要好，考慮地層非均勻性分布的情況下，樁頂由于土體性質(zhì)較差，會(huì)出現(xiàn)較大的變形，排樁也隨之出現(xiàn)位移協(xié)調(diào)，而樁底的地層性質(zhì)較好，本身的蠕變特性相對(duì)較弱，水平位移也相對(duì)較小，所以排樁底部的位移也相對(duì)較小。對(duì)于彎矩分布情況，考慮地層非均勻性分布情況下，頂部巖體由于會(huì)出現(xiàn)較大的蠕變，所以排樁受到的水平作用力較大，而出現(xiàn)較大的彎矩，頂部最大彎矩有8%的差異。

圖6 考慮地層非均勻性分布和未考慮地層非均勻性分布的樁節(jié)點(diǎn)位移和彎矩

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)深圳市某軟土基坑工程的開挖及支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中分別按照未考慮地層空間非均勻性分布和考慮地層的空間非均勻性分布兩種情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將軟土地層的空間非均勻性分布加以考慮，通過(guò)監(jiān)測(cè)排樁節(jié)點(diǎn)的位移和彎矩，以及模型整體的水平和豎向位移情況，并對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了以下結(jié)論：

1)從模型整體位移情況看，軟土地基中的基坑開挖會(huì)對(duì)周圍較大范圍內(nèi)的巖土體產(chǎn)生影響，最大水平位移出現(xiàn)在開挖分界面底部，軟土有整體向開挖方向蠕變的趨勢(shì)。

2)按照均一化地質(zhì)參數(shù)計(jì)算的模型開挖分界面的底部水平位移和考慮地層非均勻性分布的模型開挖分界面底部水平位移有4.1%的差異，而坑底中央的隆起值基本一致。

3)兩種計(jì)算方法中，排樁的水平位移差異最大值出現(xiàn)在樁頂和樁底，達(dá)到了28%，這是由于各地層的地質(zhì)參數(shù)所造成的，在排樁的抗側(cè)移剛度設(shè)計(jì)中應(yīng)加以考慮。

4)兩種計(jì)算方法中，排樁的彎矩分布規(guī)律較為接近，開挖部分的樁體最大彎矩存在8%的差異，在排樁的抗彎剛度設(shè)計(jì)中也應(yīng)當(dāng)加以考慮。

5)總體而言，基坑工程中的地質(zhì)參數(shù)取值對(duì)基坑開挖的支護(hù)方案設(shè)計(jì)有較大影響，計(jì)算中合理的地質(zhì)參數(shù)取值有待進(jìn)一步研究。

[1]陳利洲.基坑深層土體水平位移及支撐內(nèi)力測(cè)試分析[J].施工技術(shù),2008:11.

[2]王建軍.深基坑支護(hù)工程冠梁內(nèi)力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué), 2006:8.

[3]阮文軍.特大圓形深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律[J].工程勘察,2006:S1.

[4]何敏.深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[D].貴州:貴州大學(xué),2008.

[5]馬志創(chuàng).不對(duì)稱超載作用下基坑內(nèi)力與變形分析[D].天津:河北工程大學(xué),2010.

[6]周偉斌.不均勻開挖對(duì)圓形基坑支護(hù)內(nèi)力的影響分析[J].廣東土木與建筑.2007:3.

TU551.4

A

1673-1093(2014)04-0080-05

王軍平，現(xiàn)就職于天水市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督管理處。

10.3969/j.issn.1673-1093.2014.04.020

2013-12-21；

2014-01-19