基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

任 申

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251)

基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

任 申

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300251)

結(jié)合深基坑開挖施工項目，采用FLAC軟件，模擬基坑開挖后的位移變形趨勢，分析了基坑支護結(jié)構(gòu)位移及應力變化規(guī)律。為減小疏降水對基坑和周邊環(huán)境的影響，采用鉆孔灌注樁+預應力錨桿作為基坑支護結(jié)構(gòu)。

深基坑 支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 數(shù)值模擬 變形分析

1 概述

近年來，隨著人類巖土工程活動的發(fā)展，特別是大量高層、超高層建筑以及地下工程的出現(xiàn)，人們對于基坑工程的要求已經(jīng)越來越高，隨之出現(xiàn)的問題也越來越多。因此，為提高建筑用地率，人們開始對地下空間進行開發(fā)利用，地下室的層數(shù)也隨之增多，有的地下建筑甚至有三、四層地下室，最深多達數(shù)十米。許多現(xiàn)代建筑如地鐵車站、地下車庫、地下商場、地下倉庫和地下人防工程等均設計有多層地下室。于是，選擇一個科學合理的基坑穩(wěn)定性分析和施工方案是深基坑工程成敗的關(guān)鍵。

2 場地地質(zhì)工程條件

2.1 工程概況

該擬建場地東西長約170 m，南北寬約55 m，總占地面積約9 350 m2(如表1)。

表1 擬建建筑物情況

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，判定該擬建工程重要性等級為二級，場地等級為三級、地基等級為三級。綜合評定巖土工程勘察等級為乙級，地基基礎設計等級為乙級。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)處在中朝準地臺山東隆起區(qū)沂沭斷裂帶北段，由四條主干斷裂組成凹陷的東西部邊界。西部有唐吾—葛溝、沂水—湯頭斷裂，東部有安丘—莒縣、昌邑—大店斷裂。該區(qū)位于昌濰凹陷西南部濰坊凹陷內(nèi)，南部為汞丹山地壘，由太古界交代式花崗巖及中、新生界火山巖組成；北部為濰縣凸起，由太古界泰山群變質(zhì)巖組成，凹陷內(nèi)由中—新生代火山碎屑巖、玄武巖、沉積巖等組成。

據(jù)省地質(zhì)、地震部門有關(guān)資料，昌濰凹陷雖發(fā)育有一系列受沂沭斷裂帶控制的次級斷裂和多斷裂控制的凸起和凹陷，但這些斷裂構(gòu)造的活動性很弱。晚第三系后沂沭斷裂帶活動大大減弱，處于相對穩(wěn)定的階段，同期濰坊凹陷形成，并接受了第三系和第四系的沉積，故場址區(qū)穩(wěn)定。

2.3 場地地層

場區(qū)勘察深度范圍內(nèi)，地基土自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)人工堆積(Q4ml)雜填土，第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)粉土、粉砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土、粗砂。各層全區(qū)均普遍分布，厚度不均。

2.4 水文地質(zhì)條件

場區(qū)內(nèi)地下水為第四系孔隙潛水，勘察期間測得鉆孔穩(wěn)定水位埋深為7.5 m。其補給來源主要為大氣降水和側(cè)向徑流補給，以地下水徑流為主要排泄方式。

場區(qū)含水地層主要為粉砂、中砂和粗砂層，各層滲透系數(shù)分別為1.5 m/d，2.0 m/d，5.0 m/d。其中，粉砂層和中砂層為中等透水層，粗砂層為中—強透水層。粉質(zhì)黏土層透水性較差，可視為相對隔水層。

3 基坑穩(wěn)定性模擬分析

3.1 FLAC3D軟件簡述

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由Itasca公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學分析軟件，是該公司旗下最知名的軟件系統(tǒng)之一。FLAC目前已在全球七十多個國家得到廣泛應用，在國際土木工程(尤其是巖土工程)學術(shù)界和工業(yè)界享有盛譽。FLAC是國際通用的巖土工程專業(yè)分析軟件，具有強大的計算功能和廣泛的模擬能力，尤其在大變形問題的分析方面具有獨特的優(yōu)勢，其提供的針對巖土體和支護體系的各種本構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)單元更突出了FLAC的專業(yè)特性，在國際巖土工程界非常流行。

自R.W.Clough 1965年首次將有限元引入土石壩的穩(wěn)定性分析以來，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程領域獲得了巨大的進步，并成功解決了許多重大工程問題。特別是個人電腦的出現(xiàn)，機器計算性能的不斷提高，使得分析人員在室內(nèi)進行巖土工程數(shù)值模擬成為可能，也使得數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為巖土工程研究和設計的主流方法之一。

3.2 基坑周邊環(huán)境及支護方式

擬建場地原為濰坊市政府大院，位于勝利東街南側(cè)，濰州路東側(cè)，鸞飛路西側(cè)，行政街北側(cè)。

該基坑勘探深度范圍內(nèi)軟土層較多，綜合評定巖土工程勘察等級為乙級，地基基礎設計等級為乙級。為保證基坑安全和減少對周邊建筑的影響，根據(jù)場地條件及當?shù)厥┕そ?jīng)驗，通過土壓力計算及各類驗算，優(yōu)選出鉆孔灌注樁+預應力錨桿作為基坑支護結(jié)構(gòu)，樁間采用高壓旋噴樁止水。設計鉆孔灌注樁樁徑為1 m，樁長為19 m。預應力錨桿進行三排布設，水平間距為2 m，分別為地面以下-3 m，-7 m，-11 m，錨桿水平傾角均為15°。

3.3 開挖變形模擬分析

該基坑周邊距既有建筑較近，在開挖及支護過程中要求支護結(jié)構(gòu)具有安全和小變形的特性。考慮到擬建建筑規(guī)模較大，取7號樓開挖深度為12 m的基坑進行模擬分析。由對稱性分析，選取模型中間的六分之一進行數(shù)值模擬。

根據(jù)上述模型分析方案，設計12 m×22.5 m×18 m的數(shù)值計算網(wǎng)格，基坑開挖深度為12 m。為保證開挖時基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及現(xiàn)場施工的需要，對該基坑分五步進行開挖并對每次開挖后的水平方向位移進行模擬分析。模擬分步開挖示意見圖1(a～e)。

基坑開挖過程中，由于原有應力狀態(tài)遭到破壞，土層應力發(fā)生重分布，這就使得基坑邊緣靠近臨空面處各土層有向臨空面發(fā)生位移的趨勢。由圖1可得到如下分析：

①在分步開挖過程中，基坑邊緣水平方向位移量逐漸增大，且位移方向為臨空面方向；

圖1 開挖示意

②從第三次開挖到第四次開挖過程中，基坑邊緣位移量顯著增大，增幅近40%；

③在第五次開挖結(jié)束后，基坑邊緣附近位移量最大，且位移方向為臨空面方向，這對保持支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利；

④在距坑底水平方向一定距離處，基坑位移方向向上，有隆起趨勢。遠離基坑邊緣處的土層受應力重分布影響較小，發(fā)生的位移量較小。

圖2 位移矢量

圖3 豎向應力

由2和圖3可以得出：

①開挖過程中，由于受應力重分布影響，基坑邊緣及附近各點向基坑臨空方向發(fā)生明顯位移趨勢，且位移量隨距基坑邊緣的距離增大而減小。這一規(guī)律不但在水平方向上適用，同時適用于垂直方向。在距坑底一定距離處，土層各點有向上發(fā)生位移的趨勢。

②由于上覆土層的荷載及周邊土層的應力作用，在坑底處應力值最大，且應力方向向下。與之相反，在距坑底一定距離處，應力方向與坑底處應力方向向上，與基坑開挖后坑底發(fā)生隆起的現(xiàn)象一致。

4 結(jié)論

(1)擬建場地區(qū)域地貌屬昌濰沖洪積平原，場地地形平坦，無滑坡、泥石流及巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象。地層結(jié)構(gòu)簡單，無軟弱下臥層、近代活動斷裂及不良地質(zhì)作用存在。故場址區(qū)穩(wěn)定，適宜該基坑工程。

(2)基于FLAC軟件，對開挖基坑支護結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬，通過分析開挖后的基坑支護結(jié)構(gòu)位移和應力狀態(tài)，得出最大位移量為17.7 mm?，F(xiàn)場基坑開挖施工完成后，檢測最大位移量為18.4 mm，與模擬數(shù)值相差很小。根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012可知，基坑開挖允許最大位移量為60 mm，模擬數(shù)值及現(xiàn)場檢測值均小于最大允許位移變形量，保證了基坑開挖的安全性。因此，用FLAC軟件可以準確、直觀的模擬基坑開挖后的位移變形趨勢。

(3)本設計利用FLAC 3D軟件，其過程簡單、易行，為基坑工程設計及施工提供了理論參考，杜絕了以往工程技術(shù)人員僅憑當?shù)毓こ探?jīng)驗確定設計及施工方案的現(xiàn)象。

[1] 中華人民共和國建設部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB50007—2002建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002

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TheResearchontheStabilityofNumericalSimulationwithExcavations

REN Shen

2013-10-16

任 申(1986—)，男，2012年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學地質(zhì)工程專業(yè)，工學碩士，助理工程師。

1672-7479(2014)01-0049-03

TU470

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