超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與軸力的三維有限元分析

范蓬震 高 倉(cāng) 馬 祥

陜西建工第九建設(shè)集團(tuán)有限公司 榆林 719000

1 工程概況

濟(jì)南西客站地鐵1號(hào)線基坑長(zhǎng)207.05 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬、開挖深度分別為21.40 m、18.58 m；盾構(gòu)段寬、開挖深度分別為25.30 m、18.58 m，±0.00 m相當(dāng)于絕對(duì)高程30.36 m，屬于深基坑工程（圖1）。

圖1 濟(jì)南西客站平面規(guī)劃示意

基坑采用鉆孔灌注樁（φ1 000 mm@1 500 mm，樁長(zhǎng)22.88 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30）加高壓旋噴樁止水帷幕加3道鋼管內(nèi)支撐的支護(hù)方式；內(nèi)支撐標(biāo)準(zhǔn)段采用3道鋼管對(duì)撐體系，盾構(gòu)段采用3道鋼管斜撐體系，鋼管支撐設(shè)活動(dòng)端頭，以便施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力為鋼支撐軸力設(shè)計(jì)值的30%（第1、2、3道鋼支撐軸力設(shè)計(jì)值分別為1 000 kN、2 000 kN、1 500 kN），第1道內(nèi)撐采用φ609 mm（厚度t=12 mm）鋼管支撐，架設(shè)點(diǎn)距樁頂2.10 m；第2、3道內(nèi)撐采用φ609 mm（厚度t=16 mm）鋼管支撐，架設(shè)點(diǎn)分別距樁頂8.35 m、14.88 m；混凝土冠梁的強(qiáng)度等級(jí)為C30，截面為1 000 mm×800 mm，腰梁為鋼腰梁（普通熱軋45b#工字鋼）。

2 深基坑有限元計(jì)算模型

2.1 模型計(jì)算參數(shù)的選取

1）本模型土體采用SOLID45實(shí)體單元，冠梁與支護(hù)結(jié)構(gòu)采用BEAM4單元，鋼支撐采用LINK8單元。基坑周邊土體采用彈塑性本構(gòu)模型，選用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，鉆孔灌注樁、圈梁和鋼支撐結(jié)構(gòu)均采用彈性本構(gòu)模型。土層從上往下依次為素填土、粉土、粉質(zhì)黏土、中砂。

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)：將支護(hù)排樁簡(jiǎn)化為地下連續(xù)墻，其厚度按照等效剛度原則確定，推算出等效后的地下連續(xù)墻厚度為0.73 m；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，密度ρ取2 500 kg/m3，泊松比v取0.18，彈性模量E取3.16×1010Pa。

3）支撐體系：鋼支撐φ609 mm（厚度t=12 mm或t=16 mm），彈性模量E取2.06×1011Pa，泊松比v取0.31。

2.2 模型建立

在深基坑工程的有限元模擬過程中，基坑開挖影響寬度一般取開挖深度的3～4倍，影響深度一般取開挖深度的2～4倍。故本文選擇的模型大小為(3H+L/2)×(6H+B)×3H，即 ：159.27 m×132.88 m×55.74 m，其中，深基坑尺寸為L(zhǎng)×B×H，即：207.05 m×21.40 m×18.58 m。

2.3 深基坑開挖、支護(hù)工況模擬

1） 工況1：開挖第1層土方，挖至標(biāo)高-3.10 m處；

2） 工況2：施工混凝土冠梁及安裝第1道鋼管支撐（-2.10 m處，每6 m一根），并施加預(yù)應(yīng)力；

3） 工況3：開挖第2層土方，挖至標(biāo)高-9.35 m處；

4） 工況4：施工鋼腰梁及安裝第2道鋼管支撐（-8.35 m處，每3 m一根），并施加預(yù)應(yīng)力；

5） 工況5：開挖第3層土方，挖至標(biāo)高-15.88 m處；

6） 工況6：施工鋼腰梁及安裝第3道鋼管支撐（-14.88 m處，每3 m一根），并施加預(yù)應(yīng)力[1-4]；

7） 工況7：開挖第4層土方，挖至標(biāo)高-18.58 m處。

3 有限元模擬結(jié)果分析

3.1 樁體水平位移分析

在不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的位移云圖如圖2～圖5所示。

圖2 安裝完第1道鋼支撐

圖3 安裝完第2道鋼支撐

圖4 安裝完第3道鋼支撐

圖5 開挖至坑底

分析得出：安裝完第1道鋼支撐時(shí)，最大位移為11.91 mm，位于樁體-10.53 m位置處；安裝完第2道鋼支撐時(shí)，最大位移為12.46 mm，位于樁體-12.29 m位置處；安裝完第3道鋼支撐時(shí)，最大位移為14.38 mm，位于樁體-14.05 m位置處；開挖至坑底時(shí)，最大位移為18.19 mm，位于樁體-15.81 m位置處。以上模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，且均小于樁體水平位移警戒值：0.4H%或45 mm（二者取較小值，H為基坑開挖深度）。

將計(jì)算工況7的模擬數(shù)據(jù)與基坑開挖至坑底時(shí)實(shí)測(cè)點(diǎn)ZXS、ZXE2、ZXE4的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，如圖6所示。由圖可以得出：

圖6 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

1）有限元模擬分析得到的位移曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，均呈現(xiàn)“大肚子”形狀，雖然三維模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在一定的差異，但是模擬曲線所反映的趨勢(shì)與實(shí)測(cè)曲線較為接近。

2）模擬值的上部位移明顯小于實(shí)測(cè)值，這是由于基坑在土方開挖后沒能及時(shí)安裝鋼支撐，使得監(jiān)測(cè)值偏大，而模擬計(jì)算時(shí)能更好地遵循“隨挖隨撐”原則，故基坑暴露時(shí)間幾乎沒有，所以模擬計(jì)算的支護(hù)樁上部的位移相對(duì)較小，由此可以看出，應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行模擬分析對(duì)于基坑工程變形理論的研究具有很大意義[5,6]。

3.2 鋼支撐軸力分析

在基坑安裝完第1道、第2道、第3道鋼支撐及開挖至坑底4種工況下，3道鋼支撐的軸力變化云圖分別如圖7～圖10所示。

由圖分析可以看出：基坑安裝完第1道鋼支撐后，其軸力最大值為418.15 kN；安裝完第2道支撐后，第1道鋼支撐的最大軸力增至623.15 kN，此時(shí)第2道鋼支撐的軸力最大值為634.52 kN；安裝完第3道支撐后，第1、2道鋼支撐的最大軸力分別增至725.85 kN、1531.15 kN，此時(shí)第3道鋼支撐的軸力最大值為621.15 kN；土方挖至坑底時(shí)，第1、2、3道鋼支撐的最大軸力分別增至831.36 kN、1 894.15 kN、1 442.42 kN。

將實(shí)測(cè)點(diǎn)ZC1、ZC6的軸力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，如圖11、12所示。

由圖可以得出：鋼支撐軸力的計(jì)算值整體比實(shí)測(cè)值偏大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因有以下幾點(diǎn)[7-9]：

圖7 安裝完第1道鋼支撐

圖8 安裝完第2道鋼支撐

圖9 安裝完第3道鋼支撐

圖10 開挖至坑底

圖11 測(cè)點(diǎn)ZC1計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖12 測(cè)點(diǎn)ZC6計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

1）每道支撐在支撐前為了便于安裝施工，土方均超挖約1.00 m，導(dǎo)致支撐前基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)就已產(chǎn)生了一定的位移，鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力使支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向基坑外位移的水平作用力，使軸力減?。?/p>

2）基坑施工過程中存在機(jī)械的擾動(dòng)，使得鋼支撐軸力變?。?/p>

3）鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)時(shí)間主要處于夏季，濟(jì)南地區(qū)夏季日平均溫度為25 ℃，鋼支撐長(zhǎng)期處于高溫再加上支撐自身重力的影響，使得鋼支撐產(chǎn)生變形，支撐端部與鋼腰梁發(fā)生偏移，致使二者不完全接觸，從而使得軸力變小。雖然支撐軸力計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值，但大小較為接近，且二者變化趨勢(shì)比較一致，進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)于對(duì)稱分布的深基坑，采用ANSYS對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，建立1/2深基坑模型的思路是正確的[10,11]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）在濟(jì)南西客站軌交1號(hào)線深基坑工程施工中，應(yīng)用ANSYS軟件并采用等效剛度、建立1/2基坑模型等原則，極大地簡(jiǎn)化了模擬過程，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，取得了與實(shí)測(cè)值相吻合的計(jì)算結(jié)果，為類似地質(zhì)條件下的深基坑工程有限元分析研究提供了一定的指導(dǎo)，具有一定的借鑒意義。

2）應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)深基坑進(jìn)行支護(hù)樁體水平位移模擬分析時(shí)，樁體上部模擬值一般小于實(shí)際位移值。因此，在設(shè)計(jì)階段采用ANSYS軟件對(duì)深基坑樁體位移進(jìn)行預(yù)測(cè)分析時(shí)，應(yīng)對(duì)樁體上部位移分析結(jié)果進(jìn)行修正，從而對(duì)樁體上部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。

3）應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐軸力模擬分析時(shí)，支撐軸力模擬預(yù)測(cè)值比實(shí)際值偏大。因此，在設(shè)計(jì)階段采用ANSYS軟件對(duì)支撐軸力進(jìn)行預(yù)測(cè)分析時(shí)，應(yīng)對(duì)軸力模擬計(jì)算值進(jìn)行修正，避免造成不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，從而最大限度地降低工程造價(jià)。

4）應(yīng)用ANSYS軟件建立基坑模型進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)尚無(wú)法完全模擬工程實(shí)際情況，致使模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定的差距，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行深基坑工程的全仿真模擬還需進(jìn)一步研究探討。