深基坑開挖過程水平位移影響數(shù)值分析

賀湘靈（海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350000）

深基坑開挖過程水平位移影響數(shù)值分析

賀湘靈
（海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350000）

深基坑工程在進(jìn)行開挖施工的過程中，勢必會(huì)對四周的建筑物、構(gòu)筑物以及市政工程造成一定的影響，其中主要影響為深基坑的水平位移，水平位移超過一定限值，引起四周土體的不均勻沉降，導(dǎo)致建筑構(gòu)筑物破壞。本文以某地鐵車站為研究對象，通過有限元軟件模擬了深基坑的開挖過程，得到了土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)隨著深基坑開挖的水平位移和受力的變化情況。通過對變形因素的討論，得出不同因素對變形影響的敏感性，從而找出影響變形的敏感因素，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了方法和依據(jù)。

深基坑；水平位移；有限元

引言

越來越多的城市建設(shè)正在探求地面空間、地上空間以及地下空間的整體開發(fā)，從根本上解決城市用地空間的不足和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾。對深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)基坑工程所處區(qū)域的周邊環(huán)境的要求，根據(jù)周圍環(huán)境的允許基坑變形值以及基坑土體性質(zhì)，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移進(jìn)行分析計(jì)算。通常情況下，對于一般民用建筑而言，當(dāng)建筑物的相對傾斜為1/300時(shí)，則會(huì)致使建筑結(jié)構(gòu)外墻出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，當(dāng)建筑物的相對傾斜超過1/150時(shí)，則會(huì)致使建筑物結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，嚴(yán)重危急建筑物使用安全[1]。

圖2-1 基坑橫剖面圖

1 數(shù)值模擬概述

巖土工程結(jié)構(gòu)的數(shù)值解是依據(jù)滿足了基本方程與邊界條件的前提下共同推導(dǎo)得出的。差分法采用差分方程即代數(shù)方程的形式近似的代替了基本方程的形式，從而使對微分方程求解的問題便轉(zhuǎn)換成為了對高階代數(shù)方程組進(jìn)行求解的問題[2]。FLAC3D是二維有限差分程序FLAC2D的擴(kuò)展，采用ANSIC++語言編寫。該程序可以通過單個(gè)的流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨著時(shí)間的變化規(guī)律，以及相鄰質(zhì)點(diǎn)問的這些參數(shù)的變化規(guī)律來對整個(gè)流場中的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究[3]。在本文數(shù)值模擬過程當(dāng)中，分析模型選擇使用的二維有限元，土體本構(gòu)關(guān)系選擇Druck-Prgaer模型，地下連續(xù)墻選擇使用梁單元，基坑支撐使用桿單元，基坑地下連續(xù)墻和土體之前的相互作用力通過選擇使用“滑動(dòng)庫侖摩擦模型”進(jìn)行模擬分析。

2 工程概況

本文通過對某地鐵車站的基坑工程作為研究對象。該地鐵車站的基坑工程擬定開挖深度為16.8m，開挖寬度為16.8m，開挖長度為199.5m。該基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等級為一級，地面最大準(zhǔn)許沉降值范圍為≤0.001H，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大允許水平位移為≤0.0014H。因?yàn)樵摶庸こ痰牡刂窏l件較為復(fù)雜并且存在較為豐富的地下水，所以基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇使用厚度為500mm的地下連續(xù)墻，該圍護(hù)長度為28.6m，入土深度為11.5m，橫向支撐選擇使用4道直徑600mm鋼管，豎向間距分別為5m、4m和4m。在基坑工程完成開挖之后適時(shí)安設(shè)鋼支撐并施加預(yù)應(yīng)力與鋼支撐，預(yù)應(yīng)力施加的原則是取50%的設(shè)計(jì)軸力，實(shí)際施工過程中，預(yù)應(yīng)力施加大小可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行一定范圍內(nèi)的優(yōu)化調(diào)整。

3 基坑水平變形影響分析

3.1 水平位移監(jiān)測

在基坑開挖過程中對水平位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析中要注意的警戒標(biāo)準(zhǔn)有兩種，其一是最大允許值，其二是變化速率。這兩種指標(biāo)中有一種達(dá)到警戒值都需要及時(shí)作出判斷，形成決策。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》

(GB50497.2009)要求，水平位移警戒標(biāo)準(zhǔn)值為：累計(jì)水平位移達(dá)30mm或水平位移5mm/d，累計(jì)沉降值達(dá)20mm或沉降速率達(dá)3mm/d[4]。

3.2 水平位移有限元結(jié)果

對基坑工程開挖施工的有限元模擬分析，不僅僅需要對基坑工程涉及的各種材料自

身非線性特征進(jìn)行考量，而且需要充分考慮到基坑開挖所導(dǎo)致的途徑依賴性和非線性。本文選擇使用“空氣單元”的方法實(shí)現(xiàn)對該過程的模擬，對開挖掉的基坑微元賦以非常小的值，將“空氣單元”的荷載、質(zhì)量、應(yīng)變等參數(shù)均設(shè)置為零，不必重新進(jìn)行網(wǎng)格劃分，提高模擬分析的效率[5]。

基坑開挖的過程是一個(gè)不斷屈服、流變的過程，也是土體和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)變形并且達(dá)到新平衡的過程。圖4-1給出了不同工況下基坑土體水平位移的有限元云圖。

圖4-1不同開挖階段基坑土體水平位移的有限元云圖

從以上云圖能夠得知，基坑土體開挖導(dǎo)致基坑周圍的大部分土體向坑內(nèi)移動(dòng)，基坑被動(dòng)區(qū)土體最大水平位移通常情況之下都出現(xiàn)在基坑開挖面之下的一定距離，并且這個(gè)最大位移的產(chǎn)生位置隨著基坑開挖深度的不斷增加而逐漸往下發(fā)展，與被動(dòng)區(qū)相對應(yīng)的主動(dòng)區(qū)土體水平向最大位移總體上略微向上偏一點(diǎn)且范圍較大。

表3-1 墻體水平位移監(jiān)測值與模擬值對照表(mm)

圖3-1 不同入土深度下的墻體最大水平位移

對比數(shù)值模擬結(jié)果數(shù)據(jù)和實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)可明顯地看出，不同開挖階段的水平位移模擬值都比相應(yīng)的實(shí)測值大，施工完成后在墻體最大水平位移模擬值為24.48mm相對應(yīng)的實(shí)測值為16.41mm，兩者相差8.07mm，這是由于模擬時(shí)所取模型及參數(shù)的不精確性造成的。對各步施工完成后的模擬值和實(shí)測值進(jìn)行系統(tǒng)地對比分析，可得出兩者間存在一種比例關(guān)系，比例系數(shù)一般在1.5左右。

3.3 墻體入土深度影響分析

對于存在內(nèi)支撐的基坑工程，嵌固深度的增加對于基坑側(cè)向變形和基坑地表沉降影響并不顯著，而且基坑圍護(hù)的入土深度直接和工程造價(jià)相關(guān)聯(lián)，所以，在滿足基坑整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)之上，需要通過其他措施對墻體變形進(jìn)行控制。圖3-1表示的是不同入土深度下的墻體最大水平位移。

圖3-2 不同支撐預(yù)應(yīng)力下墻體變形曲線

3.4 支撐預(yù)應(yīng)力影響分析

對鋼支撐分別施加大小不一的預(yù)應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，得出基坑地表最大變形曲線如圖3-2所示。從圖中可以看出，施加在鋼支撐上的預(yù)應(yīng)力值為75%設(shè)計(jì)軸力時(shí)，基坑墻體最大水平位移降低了40%，所以，對基坑支撐施加一定程度的預(yù)應(yīng)力能夠有效控制墻體變形，當(dāng)施加在鋼支撐上的預(yù)應(yīng)力值超過75%設(shè)計(jì)軸力時(shí)，再增大預(yù)應(yīng)力值對基坑變形的控制并沒有太多效果，所以比較合理的基坑支撐預(yù)應(yīng)力施加值為設(shè)計(jì)軸力的50～70%。

4 結(jié)語

本文通過FLAC3D程序模擬某地鐵車站的深基坑工程開挖過程，因?yàn)橥馏w模型受環(huán)境影響較大使數(shù)值模擬過程與實(shí)際工程結(jié)果有一定偏差，但有限元結(jié)果對深基坑工程仍有一定指導(dǎo)意義。通過有限元模擬分析可以得出，一旦基坑工程的嵌固深度大于0.9～1.0H，此時(shí)繼續(xù)增加入土深度并不會(huì)對基坑變形的降低起到作用，所以，只需要計(jì)算出基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小入土深度即可保證基坑的整體穩(wěn)定性。如需改善基坑墻體的內(nèi)外側(cè)土體受力情況，可以對支撐結(jié)構(gòu)施加一定的預(yù)應(yīng)力，以此增加主動(dòng)土壓力，降低被動(dòng)土體壓力，通過此手段對基坑工程的各項(xiàng)變形指標(biāo)起到一個(gè)較為有效地控制效果。

[1]孫凱華, 譚勇強(qiáng). 高層建筑物抗地表傾斜變形影響能力的初步分析[J]. 煤礦開采, 2009, 14(4):49-51.

[2]孫曉俐. 大連衡隆廣場深基坑工程穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析[D]. 桂林理工大學(xué), 2012.

[3]許薇, 葛文璇. “結(jié)構(gòu)力學(xué)”習(xí)題課的改革與探索[J]. 中國電力教育, 2012(25):56-56.

[4]GB50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》

[5]徐楊青, 王永寧, 程杰林. 模擬深基坑開挖和支護(hù)全過程的有限元數(shù)值分析[J]. 巖土力學(xué), 2002, 23(z1).

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賀湘靈（198401-），男，湖南長沙人，碩士研究生；