軟弱地基下深基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究

李志成，王飛龍，張雪松，黃林沖

(1.長(zhǎng)沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511483；3.中山大學(xué) 工學(xué)院，廣東 廣州 510275)

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軟弱地基下深基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究

李志成1，王飛龍1，張雪松2，黃林沖3

(1.長(zhǎng)沙中大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511483；3.中山大學(xué) 工學(xué)院，廣東 廣州 510275)

軟弱土地基下的深基坑工程具有較強(qiáng)的不確定性和綜合性，其支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)經(jīng)常由各種因素綜合影響而難以準(zhǔn)確計(jì)算及測(cè)量。圍繞軟土深基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)效應(yīng)問題，根據(jù)在不同理論分析方法下對(duì)基坑開挖各個(gè)施工工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和彎矩進(jìn)行分析，并引用正在開挖的一起軟土深基坑工程案例，介紹基坑開挖過程中變形和彎矩的大小以及分布狀態(tài)，通過與該工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出基坑開挖不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的相關(guān)特點(diǎn)，并強(qiáng)調(diào)對(duì)于軟弱土地基的基坑工程需通過多種計(jì)算分析手段進(jìn)行多重復(fù)核的觀點(diǎn)，并以此結(jié)果來指導(dǎo)、預(yù)測(cè)以及評(píng)價(jià)基坑工程的變形和內(nèi)力情況以及安全性等。

軟土地基；深基坑；數(shù)值模擬；圍護(hù)結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，即使繁忙的城市中心地區(qū)也仍不斷有高樓拔地而起，因此基坑工程也相應(yīng)隨之增多，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性要求也越來越嚴(yán)格。因此，基坑工程的安全性評(píng)價(jià)由之前的強(qiáng)度控制逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)如今的以變形控制為主[1]。然而，由于地表土層的復(fù)雜以及多樣性，特別是軟弱地基下，常常導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在使用過程中由于變形過大而險(xiǎn)情頻出，基坑工程事故造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[2]。因此，如何使用靜力解析和有限元數(shù)值分析等方法對(duì)基坑開挖過程進(jìn)行模擬以獲得圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和彎矩的大小以及分布特點(diǎn)等情況，對(duì)于預(yù)測(cè)基坑實(shí)際開挖過程中應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行掌握以及作為安全性的評(píng)價(jià)依據(jù)具有重要意義[3-5]。

本文以佛山某正在開挖過程中的大型軟土深基坑工程為項(xiàng)目背景，以開挖過程中的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐進(jìn)行模擬研究，分別采用GEO5解析軟件和MIDAS/GTS數(shù)值分析軟件對(duì)基坑開挖得各個(gè)施工工況進(jìn)行模擬[6]，比較不同設(shè)計(jì)方法下結(jié)構(gòu)的位移變形和彎矩變化及分布情況，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，總結(jié)出地下連續(xù)墻在不同施工工況下變形和彎矩的變化特點(diǎn)。

1　工程概況

該大廈基坑占地面積約110×70 m2，位于佛山市新桂路東側(cè)，振華路南側(cè)，建設(shè)路北側(cè)，擬建酒店及商住樓各1棟，24～28層(樓高約80～100 m)，框剪結(jié)構(gòu)，裙樓4層，框架結(jié)構(gòu)，擬采用樁基礎(chǔ)；設(shè)有地下室4層，底板設(shè)計(jì)標(biāo)高約為相對(duì)高程-14.90 m。各層土質(zhì)情況見表1：

表1　土層及基本力學(xué)參數(shù)

由上述土層參數(shù)表可知該工程所在場(chǎng)地土質(zhì)稍差，淤泥質(zhì)土占據(jù)比例比較大，屬于軟土深基坑工程典型案例，在這種土質(zhì)中進(jìn)行深基坑設(shè)計(jì)及開挖，必須使用多種設(shè)計(jì)分析手段，綜合的對(duì)該深基坑進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)和危險(xiǎn)性評(píng)估，本文對(duì)該軟土深基坑通過有限元軟件和靜力分析方法等多種方法，并根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到多重手段綜合使用，綜合分析的效果。

2　深基坑計(jì)算分析模型的建立

2.1GEO5靜力解析法

GEO5深基坑是國外的一款優(yōu)秀的深基坑設(shè)計(jì)和分析軟件，擁有較多的巖土問題模塊，該軟件一目了然地操作方式和全面的土質(zhì)本構(gòu)模型，使其在深基坑工程上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛[7-8]。

以本工程典型土層B～D階段的鉆孔ZK15～ZK19為例建立靜力分析模型，采用彈性地基梁法進(jìn)行計(jì)算，土層力學(xué)參數(shù)均按表1取值，并考慮地面超載20 kPa作用。地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐靜力解析法的計(jì)算模型見圖1所示。本計(jì)算模型將地下連續(xù)墻簡(jiǎn)化為豎直的彈性地基梁模型，并采用m法計(jì)算，基底以上墻體簡(jiǎn)化為受土壓力作用的彈性梁支撐，支撐結(jié)構(gòu)考慮彈性變形，內(nèi)力用增量法累積。

圖1　GEO5靜力解析模型Fig.1 GEO5 static analysis model

2.2MIDAS/GTS有限元分析

本文針對(duì)該軟土深基坑工程進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬分析，采用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型。

模型單元選擇：土體采用實(shí)體單元，土體參數(shù)按表1取值；地下連續(xù)墻采用板單元，截面寬度為800 mm，材料為鋼筋混凝土；內(nèi)支撐(1 000 mm×1 000 mm)、圈梁/冠梁(800 mm×1 000 mm)和立柱(700 mm×700 mm)均采用線單元，單元類型選用梁?jiǎn)卧M，材料為鋼筋混凝土單元。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將土體材料模型簡(jiǎn)化為摩爾-庫侖模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為彈性模型[4]。

模型網(wǎng)格劃分：在保證計(jì)算精度的前提下，此大型深基坑按照5 m的間距劃分網(wǎng)格，便可達(dá)到計(jì)算精度的要求，計(jì)算邊界取基坑在該方向上的3倍距離即可如圖2所示，土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)要注意網(wǎng)格計(jì)算耦合的問題，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2　有限元數(shù)值分析模型俯視圖Fig.2 Finite element analysis model

圖3　基坑MIDAS/GTS三維模擬圖Fig.3 MIDAS/GTS 3D simulation model

2.3施工工況設(shè)置

對(duì)模擬該基坑的2種不同計(jì)算模型均采用施工階段過程分析，設(shè)置相應(yīng)的施工工況。具體施工步驟如下：

第1步：清除初始地應(yīng)力的影響，使其在自重應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變?yōu)?。

第2步：模擬第1層土體開挖和第1道支撐系統(tǒng)架設(shè)的過程，即鈍化第1層要開挖的土層，激活第一層內(nèi)支撐和圈梁，由此計(jì)算土體和基坑的應(yīng)力應(yīng)變等情況。

第3步：模擬第2層土體開挖和第2道支撐系統(tǒng)架設(shè)的過程，即鈍化第2層要開挖的土層，激活第2層內(nèi)支撐和圈梁，在第2步的基礎(chǔ)上計(jì)算土體和基坑的應(yīng)力應(yīng)變等情況。

第4步：模擬第3層土體開挖和第3道支撐系統(tǒng)架設(shè)的過程，即鈍化第3層要開挖的土層，激活第3層內(nèi)支撐和圈梁，在第3步的基礎(chǔ)上計(jì)算土體和基坑的應(yīng)力應(yīng)變等情況。

第5步：模擬第4層土體開挖的過程，即鈍化第4層要開挖的土體，得到最終應(yīng)力應(yīng)變等情況。

3　計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)GEO5靜力解析法和GTS有限元數(shù)值分析法的計(jì)算結(jié)果做對(duì)比，并以實(shí)際監(jiān)測(cè)報(bào)告做基準(zhǔn)驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。

3.1變形分析

靜力解析法計(jì)算出的各個(gè)施工工況下地下連續(xù)墻的墻身位移如圖4(a)所示。用有限元數(shù)值分析計(jì)算的各個(gè)施工工況下墻身位移如圖4(b)所示(模擬工況第一步的清除初始地應(yīng)力不體現(xiàn)在圖中)。選取實(shí)際監(jiān)測(cè)報(bào)告中具有典型代表性的ZK18～19號(hào)位置的CX10孔的測(cè)斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，其墻身實(shí)際變形如圖4(c)所示。

CX10孔位置處的墻身位移在不同工況下的數(shù)值變化不一樣，表2為各個(gè)工況下靜力計(jì)算方法、有限單元數(shù)值分析法和實(shí)際監(jiān)測(cè)的變形最大值及其最大值分布位置的對(duì)比。

表2墻身最大位移和分布位置

Table 2 Wall maximum displacement and location

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由以上曲線可以發(fā)現(xiàn)3種數(shù)據(jù)的變形發(fā)展趨勢(shì)大致相同，皆為手冊(cè)所述的鼓肚子類型曲線[7]，且隨著每個(gè)工況的進(jìn)行，最大變形位移逐漸增大[8]，其位置也隨之往下移動(dòng)，最終定位在地下連續(xù)墻深度16～18 m區(qū)間的距離，這也與手冊(cè)所述的有支護(hù)結(jié)構(gòu)類型的側(cè)向變形最大點(diǎn)發(fā)生在基坑底部1～2 m左右是相符的。提取各個(gè)施工工況結(jié)束時(shí)的地下連續(xù)墻最大位移值及其出現(xiàn)位置整合于如圖5所示的曲線圖之中，可清晰看到，隨著基坑開挖深度的加大而變形也慢慢增大，且變形曲線斜率也大致相同，說明解析法和數(shù)值模擬法均可較為真實(shí)的模擬基坑開挖的變形趨勢(shì)。

(a)實(shí)際監(jiān)測(cè)；(b)解析法；(c)數(shù)值分析圖4　地下連續(xù)墻的變形曲線Fig.4 Underground diaphragm wall deformation curve

圖5　最大變形值及位置比較Fig.5 Comparison of maximum deformation and location

但對(duì)比3組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)靜力解析法的變形偏小，數(shù)值模擬法次之，以實(shí)際監(jiān)測(cè)變形為最大，且最大值的位置也不大一樣，出現(xiàn)此結(jié)果的原因是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)模擬計(jì)算中沒有考慮土體應(yīng)力路徑的問題，也沒有考慮不均勻開挖、不均勻堆載以及在整個(gè)開挖過程中地下水位的漲落的影響，再者在深基坑開挖的漫長(zhǎng)過程中多變的天氣因素也對(duì)其側(cè)向變形的影響是相當(dāng)大的，因此計(jì)算的變形結(jié)果比實(shí)際的小，所以在基坑工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮以上不利情況，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)做足夠的安全預(yù)留空間。

綜合上述墻身變形曲線，在各個(gè)開挖工況下，由兩種方法模擬的結(jié)果基本與實(shí)際相呼應(yīng)，變形最大值以及變形分布特點(diǎn)基本相似，3種曲線均在坑底位置處出現(xiàn)“鼓肚子”變形，說明變形最大值均出現(xiàn)在坑底左右。而在坑底以下的變形都較小，因?yàn)榭拥滓韵碌叵逻B續(xù)墻有較長(zhǎng)的嵌固深度，且墻內(nèi)外測(cè)都有水土壓力，因此變形較小。區(qū)別較大的是解析法和數(shù)值模擬法在工況4時(shí)墻身不出現(xiàn)正位移，而實(shí)際監(jiān)測(cè)的墻身在工況4時(shí)出現(xiàn)正位移，也就是俗稱的墻身“后仰”，產(chǎn)生此現(xiàn)象是因?yàn)閴ι韯偠容^大，墻身在坑底位置處出現(xiàn)“鼓肚子”(大負(fù)位移)時(shí)，由于墻身的連續(xù)性使得坑底以上墻體必須往坑外土體移動(dòng)，墻身出現(xiàn)內(nèi)力重分布并由此來減小自身的內(nèi)力。而靜力解析法和數(shù)值模擬法均在理想的計(jì)算模型中進(jìn)行計(jì)算，只考慮墻身在主動(dòng)土壓力作用下的效應(yīng)，所以在此結(jié)果上有所區(qū)別。但這并不影響以上兩種計(jì)算方法在基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算的正確性。

3.2彎矩分析

GEO5靜力解析法求解的在ZK18～19號(hào)位置的CX10孔處的墻身彎矩如圖6(a)所示；用MIDAS/GTS分析模擬計(jì)算的墻身彎矩如圖6(b)所示；有限元法計(jì)算的整個(gè)連續(xù)墻彎矩的分布云圖如圖7所示。

(a) GEO5；(b) GTS圖6　地下連續(xù)墻的計(jì)算彎矩Fig.6 Underground diaphragm wall moment result

圖7　圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩分布云圖Fig.7 Bending moment nephogram of retaining structure

由圖6可以看到不同計(jì)算方法下，墻身的彎矩分布情況基本相同，并與有限元法的整體支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩分布云圖相對(duì)應(yīng)；但比較二者的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)靜力解析法求解的結(jié)構(gòu)彎矩比有限元數(shù)值分析法求解的彎矩小。

地下連續(xù)墻的墻身彎矩在工程上比較難以準(zhǔn)確測(cè)得，但其大小及其分布可以比較吻合的反映深沉土體位移，并通過墻身側(cè)向變形體現(xiàn)出來。綜合以上分析結(jié)果，繪制彎矩分布曲線如圖8所示，采用解析法的墻身最大彎矩出現(xiàn)在開挖面處，并隨開挖面的加深而漸漸下移，最終停留在開挖面附近處；采用數(shù)值分析法的墻身最大彎矩出現(xiàn)在開挖面以下1～2 m左右，也隨著開挖過程而漸向下移動(dòng)，最終最大彎矩停留在坑底下1 m左右。各個(gè)施工工況不同計(jì)算方法下的彎矩曲線如圖8所示。

(a)工況1；(b)工況2；(c)工況3；(d)工況4圖8　各個(gè)工況下墻體的彎矩圖Fig.8 Underground diaphragm wall moment result at each stage

4　結(jié)語

1)在進(jìn)行深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，應(yīng)充分考慮基坑在不同施工條件下的變形情況，在經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上預(yù)留足夠的安全空間。

2)在基坑開挖時(shí)，應(yīng)盡量按模擬的計(jì)劃進(jìn)行開挖，讓結(jié)構(gòu)的彎矩變化在模擬的預(yù)測(cè)范圍之內(nèi)，盡量減少由于不均勻開外而引起的土層附加位移。

3)采用GEO5基坑設(shè)計(jì)軟件和MIDAS/GTS有限元分析軟件均可以較為真實(shí)的模擬深基坑在不同工況下的變形和彎矩分布情況，但對(duì)具體結(jié)果還需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)做進(jìn)一步的判斷和調(diào)整。

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Effects of retaining structure at deep excavation engineering of soft ground

LI Zhicheng1，WANG Feilong1，ZHANG Xuesong2，HUANG Linchong3

(1.Changsha Central South University Construction Supervision Co., Ltd, Changsha 410075, China;2.Guangzhou Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483, China;3. School of Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

The effects of the supporting and retaining structure of deep foundation pit engineering in soft soil foundation is difficult to be calculated and measured accurately，with its uncertainty and complexity. According to the analysis under different theoretical methods for various excavation procedures, this paper proposed the deformation and bending moment effects of the supporting structure, through a big soft ground deep excavation project, which is under construction. Together there was a comparison study with the site monitoring data. The structure characteristics in different excavation conditions were studied. The paper emphasized that the calculation of the deep foundation pit in soft ground needs to be analyzed through comprehensive methods and calculated, with different professional software programs. The results of this paper can be used as a guide, to forecast the deformation and internal forces, as well as the evaluation of safety and excavation projects.

soft foundation; deep foundation pit; numerical simulation; retaining structure

2015-12-19

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108472，51678578)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016A030313233)；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015A0202170004)

黃林沖(1980-)，男，湖北咸寧人，副教授，博士，從事土木工程安全與防災(zāi)方面的研究；E-mail: hlinch@mail.sysu.edu.cn

TU470

A

1672-7029(2016)09-1737-06