數(shù)值模擬分析基坑開(kāi)挖空間效應(yīng)的變化規(guī)律

管文艷

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007)

1 引言

隨著建設(shè)的需要，基坑工程日益復(fù)雜，隨之而來(lái)的事故也是多種多樣，除了基坑本身發(fā)生穩(wěn)定性破壞外，還包括周圍環(huán)境破壞以及對(duì)施工安全的不良影響。在2012版的建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程中明確指明支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)由支護(hù)結(jié)構(gòu)及土體變形對(duì)周邊環(huán)境影響或主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響程度來(lái)判斷[1]。

關(guān)于基坑變形規(guī)律，許多學(xué)者都通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)值模擬提出自己的觀點(diǎn)，如徐中華通過(guò)總結(jié)上海地區(qū)基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，指出南方地區(qū)軟土基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位置一般處于坑底附近[2][3]。王衛(wèi)東通過(guò)對(duì)南方軟土地區(qū)基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到不同剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的地表沉降變形規(guī)律以及沉降影響范圍[4]。上海地方規(guī)范在估算基坑周邊地表變形方面，提出了墻后土體損失量與地表最大沉降量的半預(yù)測(cè)公式，為計(jì)算地表沉降提供更準(zhǔn)確的方法[5]。劉建航院士在軟土市政工程施工手冊(cè)中提出了地表沉降槽的計(jì)算方法，更進(jìn)一步肯定了通過(guò)理論計(jì)算地表沉降的可能性。Caspe和劉興旺等人將支護(hù)結(jié)構(gòu)后土體分為塑性平衡區(qū)和彈性平衡區(qū)，并對(duì)墻后土體變形的理論計(jì)算進(jìn)行了部分推導(dǎo)[6][7]。殷德順以數(shù)值模擬為手段，對(duì)劉興旺等前人的研究成果進(jìn)行了驗(yàn)證，并提出了由墻體位移計(jì)算墻后土體位移的理論方法[8]。

本文以MIDAS有限元分析軟件為計(jì)算工具，結(jié)合萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)工程實(shí)例，計(jì)算該基坑工程在開(kāi)挖過(guò)程中的變形數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及前人總結(jié)的基坑變形規(guī)律，證明有限元軟件在分析基坑變形中的準(zhǔn)確性。分析數(shù)值模擬計(jì)算的變形數(shù)據(jù)，總結(jié)在數(shù)值模擬中硬化土模型的參數(shù)選取方案并分析基坑變形規(guī)律。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況介紹

萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)深基坑工程占地135 936m2，基坑長(zhǎng)350m、寬320m、基坑重要性等級(jí)為一級(jí)。具體支護(hù)形式如圖1所示，該基坑工程主要支護(hù)形式為雙排樁結(jié)合鋼支撐支護(hù)、雙排樁結(jié)合錨索支護(hù)、型鋼水泥土墻結(jié)合錨索支護(hù)，基坑最大開(kāi)挖深度為12.8m，支護(hù)形式十分復(fù)雜。基坑北側(cè)有中國(guó)銀行等重要建筑，具體位置如圖1所示，該基坑所處位置地下水豐富，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地表沉降變形。

如表1所示，基坑所處位置的土體以粉質(zhì)粘土、粉砂、淤泥質(zhì)黏土為主，內(nèi)摩擦角和粘聚力系數(shù)都很小，該類土質(zhì)處的基坑容易發(fā)生大的變形。

圖1 基坑支護(hù)布置圖

表1 各層土的性質(zhì)參數(shù)

3 有限元參數(shù)選取

3.1 土體單元參數(shù)

運(yùn)用MIDAS軟件模擬萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)深基坑工程，首先選擇土體計(jì)算模型，在本次模擬中，主要分析基坑的變形，故以往簡(jiǎn)單的摩爾庫(kù)侖模型不能夠滿足分析的需要，所以我選擇硬化土模型、也就是修正摩爾庫(kù)侖模型。修正摩爾庫(kù)侖模型在計(jì)算中需要輸入兩個(gè)彈性模量，分別為土體壓縮時(shí)的彈性模量和土體卸荷時(shí)的彈性模量。修正摩爾庫(kù)侖計(jì)算出的坑底隆起變形要遠(yuǎn)小于摩爾庫(kù)侖計(jì)算出的變形，更符合工程實(shí)際的變形情況。

按照上海地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，土體卸荷后的彈性模量為土體壓縮時(shí)的彈性模量的3～5倍，而土體壓縮時(shí)的彈性模量采用公式1、2計(jì)算得到:故本次模擬中的彈性模量(Mpa)如表2所示。

表2 各層土的彈性模量T

3.2 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

根據(jù)實(shí)際工程案例，共有三種支護(hù)形式，如表3所示。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

其中，支護(hù)墻均按照等抗彎剛度換算成地下連續(xù)墻，根據(jù)設(shè)計(jì)報(bào)告將型鋼水泥土墻轉(zhuǎn)變?yōu)?.S6m地下連續(xù)墻，雙排樁轉(zhuǎn)換為1.1m地下連續(xù)墻，這樣更方便模擬結(jié)構(gòu)單元，具體的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬圖

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 基坑開(kāi)挖

基坑開(kāi)挖后如圖3所示，右側(cè)藍(lán)色區(qū)域?yàn)?2.8m開(kāi)挖，左側(cè)分別為粉色區(qū)域6.5m開(kāi)挖和黃色區(qū)域7.7m開(kāi)挖。

4.2 準(zhǔn)確性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的變形數(shù)據(jù)判斷本次數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確。選取樁頂水平位移為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的30個(gè)樁頂水平位移數(shù)據(jù)對(duì)比分析數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，如圖4所示。

圖3 基坑開(kāi)挖示意圖

圖4 樁頂水平位移對(duì)比分析

圖5 墻后土體x方向水平位移云圖

經(jīng)過(guò)以上曲線分析，可以判斷出通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算基坑變形較為準(zhǔn)確，而且通過(guò)對(duì)比其他實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及變形規(guī)律，進(jìn)一步認(rèn)為數(shù)值模擬的結(jié)果是合理的。

5 基坑變形分析

5.1 基坑變形空間效應(yīng)

根據(jù)上海地區(qū)研究結(jié)果，可以認(rèn)為基坑開(kāi)挖引起的變形存在空間效應(yīng)，即基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中部變形要大于基坑角點(diǎn)處變形。但是，因?yàn)榛庸こ檀嬖谔禺愋?，通過(guò)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出的變形規(guī)律只能應(yīng)用于單個(gè)地區(qū)，無(wú)法推廣。相比之下，數(shù)值模擬計(jì)算中靈活準(zhǔn)確快速的特點(diǎn)就得以發(fā)揮。

圖5為基坑支護(hù)墻后土體x方向水平位移云圖

由圖4可以分析:

1)基坑開(kāi)挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)后土體均向坑內(nèi)移動(dòng);

2)型鋼水泥土墻對(duì)應(yīng)的土體水平位移小于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的土體水平位移，主要原因是開(kāi)挖深度不同，而且支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度也不一致;

3)墻后土體水平位移無(wú)論何種支護(hù)形式，均存在空間效應(yīng)，即坑角處水平位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支護(hù)結(jié)構(gòu)中部的土體水平位移。

5.2 結(jié)合工況分析基坑變形

圖6、7為具體的水平位移變化曲線通過(guò)曲線，可以分析處基坑開(kāi)挖過(guò)程中不同的工況導(dǎo)致基坑墻后土體水平位移變化情況。

由圖6、7可以分析出:1)隨著工況的增加，墻后土體水平位移增加;2)每一個(gè)工況，支護(hù)結(jié)構(gòu)中部對(duì)應(yīng)的墻后土體水平位移大致相同;

3)水平位移增加幅度較大的工況均為開(kāi)挖工況，即當(dāng)基坑開(kāi)挖時(shí)墻后土體水平位移變化較大;

4)雙排樁支護(hù)墻后土體的水平位移不是坑角點(diǎn)最小，而是臨近坑角的點(diǎn)水平位移最小;

5)雙排樁支護(hù)墻后土體水平位移的空間效應(yīng)比值，即坑角處土體水平位移和中部支護(hù)墻后土體水平位移的比值，在第二次開(kāi)挖時(shí)約為1.8，隨著開(kāi)挖深度的增加，比值逐漸增大，最后一次開(kāi)挖比值約為3.1倍;

6)SMW支護(hù)結(jié)構(gòu)墻后土體水平位移的空間效應(yīng)比值則恰恰相反，開(kāi)挖2時(shí)比值約為15倍，隨著開(kāi)挖深度的增加，坑角處土體水平位移變化速率增大，空間效應(yīng)比值逐漸減小，最后一次開(kāi)挖時(shí)，空間效應(yīng)比值約為3.5倍。

5 結(jié)論

(1)硬化土模型模擬基坑開(kāi)挖引起的變形規(guī)律，結(jié)果比較準(zhǔn)確，可以作為分析變形的手段之一;

(2)基坑開(kāi)挖后，無(wú)論何種支護(hù)形式，均會(huì)產(chǎn)生空間效應(yīng)，坑角處的變形小于支擋結(jié)構(gòu)中部對(duì)應(yīng)的變形;

圖6 SMW墻后土體水平位移

圖7 雙排樁墻后土體水平位移

(3)通過(guò)分析SMW和雙排樁支護(hù)形式，對(duì)比空間效應(yīng)的不同變化規(guī)律，SMW支護(hù)中坑角處在開(kāi)挖深度較小時(shí)變形很小，隨著開(kāi)挖深度的增加，變化速率增大;相比較下，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)變化呈現(xiàn)從小到大，即隨著開(kāi)挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)中部的變形增大速率大于坑角。

[1]JGJ120-2012.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]

[2]徐中華.上海地區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形性狀研究[D].北京:上海交通大學(xué)，2007

[3]李琳等.軟土地區(qū)深基坑變形特性分析[J].土木工程學(xué)報(bào):2007，(40):66-72.

[4]王衛(wèi)東等，上海地區(qū)深基坑周邊地表變形性狀實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2011，(11):1659-1666.

[5]DBJ-61-97.上海市標(biāo)準(zhǔn)基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[6]CASPE M S.Surface settlement Adjacent to Braced Open Cuts[J].JSMFD，ASCE，1966，92(SM4):51-9.

[7]劉興旺等，基坑開(kāi)挖地表沉陷理論分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2000，33(4):51-55.

[8]殷德順等.支護(hù)水平位移對(duì)支護(hù)后土體變形的影響[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2007(9):124-126.

[9] TERZAGHIK.Theoretical soil mechanics in engineering practices[M].Wiley New-York，1948

[10]呂少偉.上海地鐵車站施工周圍土體位移場(chǎng)預(yù)測(cè)及控制技術(shù)研究[D].同濟(jì)大學(xué)，2001

[11]劉國(guó)彬等.基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009