基于內(nèi)撐體系下的地下連續(xù)墻安全性三維數(shù)模分析

□文/楊永江

基于內(nèi)撐體系下的地下連續(xù)墻安全性三維數(shù)模分析

□文/楊永江

文章通過三維模擬和實(shí)測對(duì)比，分析地下連續(xù)墻加水平內(nèi)支撐的基坑安全性能，得出：圍護(hù)結(jié)構(gòu)和水平支撐體系的變形是基坑安全程度的重要特征指標(biāo)。內(nèi)支撐體系的傳力路徑明確，各部分相互牽連較少，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性較好，有利于基坑的對(duì)稱開挖，受基坑土質(zhì)的影響較小，從受力和穩(wěn)定性兩方面考慮，內(nèi)支撐體系是基坑支護(hù)體系的一個(gè)較好選擇。

變形；軸壓比；內(nèi)支撐；安全性；數(shù)值模擬；地下連續(xù)墻

在城市化高速發(fā)展的今天，城市土地的利用越來越體現(xiàn)出緊張性，基坑周圍環(huán)境的復(fù)雜性和超深基坑施工技術(shù)的高難度性和不確定性等，均阻礙著基坑工程研究的前進(jìn)和發(fā)展。由于工程本身的地質(zhì)條件和臨近建筑的制約因素，必須嚴(yán)格控制變形量，保證在可控制的變形范圍內(nèi)，選擇合適的支護(hù)形式，以尋求變形安全度、施工安全、經(jīng)濟(jì)的最佳結(jié)合點(diǎn)。ABAQUS三維有限元軟件不僅能對(duì)二維空間進(jìn)行分析，也能分析現(xiàn)實(shí)工程的空間效應(yīng)，更加接近實(shí)際工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性，被越來越多的人接受和利用。

目前，在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中，常采用的支撐形式有環(huán)梁支撐體系和利用地下水平結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐體系。本文通過三維模擬和實(shí)測對(duì)比，分析地下連續(xù)墻加水平內(nèi)支撐的基坑安全性能。

1　三維數(shù)值支護(hù)模型的建立

天津市區(qū)某在建基坑，原基坑尺寸為140 m×145 m，20 m開挖深度，模型將基坑設(shè)計(jì)為正方形，建立140 m×140 m基坑，采用1 m寬，45 m深的地下連續(xù)墻作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和上部承重結(jié)構(gòu)，水平設(shè)置3道支撐，模型見圖1。地下連續(xù)墻底部與土體之間以及樁體下部建立Tie連接，土體本構(gòu)模型使用D-P模型。針對(duì)3道水平支撐體系，基坑土方開挖為分層、對(duì)稱開挖，選取不同的水平支撐剛度，研究內(nèi)撐體系對(duì)地下連續(xù)墻安全性的影響趨勢。

圖1　地下連續(xù)墻內(nèi)支撐體系三維數(shù)模

2　不同內(nèi)支撐剛度作用下的地下連續(xù)墻變形分析

現(xiàn)階段的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制為主，基坑的穩(wěn)定性也是以變形大小作為主要特征參數(shù)。

2.1地下連續(xù)墻在同一標(biāo)高位置的縱向各點(diǎn)側(cè)移分析

選取3個(gè)路徑分別為第一、二道支撐中點(diǎn)位置處，第二道支撐位置，第二、三道支撐中點(diǎn)位置處；3種支撐不同路徑地下連續(xù)墻橫向變形見圖2。

圖2　不同路徑地下連續(xù)墻橫向變形

由圖2可知，在內(nèi)撐體系下的3條路徑整體趨勢相同，均為弓形。在中間主支撐位置附近均出現(xiàn)了不同程度的震蕩變化，表現(xiàn)為與地下連續(xù)墻位移的整體變化趨勢相背離并且主對(duì)撐對(duì)地下連續(xù)墻變形的控制作用明顯強(qiáng)于邊角斜撐的作用，隨著開挖深度的深入，地下連續(xù)墻橫向變形逐漸增大，但是使地下連續(xù)墻變形值的增加幅度不同，危險(xiǎn)區(qū)域大小不同。

2.2地下連續(xù)墻同一位置的豎向各點(diǎn)側(cè)移分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，Ⅰ級(jí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移控制量30 mm，監(jiān)測報(bào)警值25～30 mm、（0.2%～0.3%）H（H為基坑深度）。本文將最大位移的90%、80%及以下，設(shè)定為3個(gè)區(qū)間，根據(jù)區(qū)間內(nèi)含有的水平位移量可確定支撐的安全性能。

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)有以下分析。

1）在地下連續(xù)墻的不同位置，沿豎向的水平變形安全度不同，邊角處較高，地下連續(xù)墻中間安全性最低。

2）地下連續(xù)墻豎向位移的分布與選用支撐體系的軸壓比大致呈正相關(guān)，軸壓比大的地下連續(xù)墻水平位移也相應(yīng)較大。這是由于由于主對(duì)撐在地下連續(xù)墻位移最大處充分發(fā)揮了混凝土的作用，從而有效的控制了地下連續(xù)墻的變形。軸壓比不同，對(duì)地下連續(xù)墻的約束作用不同，支撐的軸壓比越小，對(duì)墻的約束作用越大，地下連續(xù)墻的變形越??；同樣的軸壓比，對(duì)撐的作用大于斜撐的作用。

3）在不相同軸壓比下得到的地下連續(xù)墻豎向位移曲線均呈雙曲弓形。在第一道支撐上部，地下連續(xù)墻的水平位移變大速度較慢，接著增大梯度較大，在基坑開挖面的上側(cè)3.0 m附近，水平位移達(dá)到最大值，在基坑開挖面以下地下連續(xù)墻水平位移迅速減小。

4）同一支撐體系，在邊角處支撐點(diǎn)集中，對(duì)墻的約束大于墻體中間，支撐的空間效應(yīng)明顯。

5）數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的一致性表明三維數(shù)值模型的數(shù)據(jù)是可靠的。

3　內(nèi)支撐體系的內(nèi)力與上拱分析

在軸壓比一定的情況下，根據(jù)表1模擬數(shù)據(jù)分析內(nèi)撐體系的上拱變化，尋找水平支護(hù)體系上拱變化規(guī)律，進(jìn)而找到支撐的危險(xiǎn)區(qū)域和點(diǎn)。

表1　內(nèi)撐體系軸力與上拱匯總

由表1可以得出：

1）支撐體系呈整體上拱趨勢；單根支撐為為多跨連續(xù)梁變形趨勢；

2）在支撐體系的豎向支撐點(diǎn)處（支撐樁位置）的上拱值小于跨中上拱值，說明支撐樁隆起和支撐自重對(duì)支撐體系上拱有一定的影響；

3）內(nèi)撐體系中中間三道對(duì)撐上拱幅度遠(yuǎn)大于靠近邊角的兩道主對(duì)撐，原因是中間位置受基底土體回彈，隆起影響較大。雖然整體上拱值都在可控范圍內(nèi)，但處在較大上拱區(qū)域部分較多。

4　結(jié)論

1）基坑安全性的特征指標(biāo)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)和水平支撐體系的變形。在一定的軸壓比范圍內(nèi)，支撐體系的軸壓比越小，對(duì)墻的約束作用越大，地下連續(xù)墻的變形越小。

2）支撐點(diǎn)間距小，支撐體系空間剛度大，支護(hù)體系的穩(wěn)定性高，基坑的安全度高。

3）支撐體系的上拱效應(yīng)和地下連續(xù)墻的水平變形具有協(xié)調(diào)性，均表現(xiàn)為從支撐體系的四周向支撐體系中間逐漸增大趨勢，在基坑中間達(dá)到最大值。

4）在同一種支撐體系下，支撐軸力增大，使水平支撐的上拱值增大，水平支撐體中最危險(xiǎn)區(qū)域面積增加，支撐體系的整體穩(wěn)定性降低。

5）基坑的安全性除與地下連續(xù)墻側(cè)移剛度有關(guān)外，還與基坑土體開挖起點(diǎn)及進(jìn)展方向、支撐層數(shù)和位置、內(nèi)支撐系統(tǒng)的空間剛度有關(guān)。

TU753

C

1008-3197（2016）02-22-02

2016-03-21

楊永江/男，1965年出生，高級(jí)工程師，天津市建設(shè)發(fā)展總公司高級(jí)工程師，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.02.007