基坑施工對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)的影響分析

王 琛

（廣州誠(chéng)信公路建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，廣東 廣州 511431）

基坑施工對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)的影響分析

王 琛

（廣州誠(chéng)信公路建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，廣東 廣州 511431）

文章旨在分析山區(qū)高速公路管理中心綜合樓基坑施工對(duì)于相鄰隧道受力影響，通過(guò)有限元計(jì)算分析開(kāi)挖下圍護(hù)結(jié)構(gòu)、近臨既有隧道和周邊地層的變形和內(nèi)力，以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工做出合理預(yù)測(cè)，減少風(fēng)險(xiǎn)。

基坑支護(hù)；有限元；環(huán)境保護(hù)；plaxis 2d

擬建管理中心改擴(kuò)建項(xiàng)目工程概況見(jiàn)表1。因地勢(shì)起伏，A座綜合樓基坑深度約3～9m，開(kāi)挖范圍內(nèi)為人工填土，西側(cè)約9m，南北側(cè)約5m，東側(cè)高度小，基坑工程安全等級(jí)為二級(jí)。B座綜合樓基坑主要支護(hù)西側(cè)、北側(cè)深度約5～7m，開(kāi)挖范圍內(nèi)為人工填土、坡積土和全風(fēng)化巖，北側(cè)現(xiàn)為板房，西側(cè)距離盤山路8m?；庸こ贪踩燃?jí)為二級(jí)。擬采取樁錨支護(hù)。B座綜合樓基坑開(kāi)挖場(chǎng)地位于隧道口與盤山公路交匯處，距離隧道南線最近處僅12.2m，因此需要通過(guò)有限元計(jì)算分析開(kāi)挖下圍護(hù)結(jié)構(gòu)、近臨既有隧道和周邊地層的變形和內(nèi)力，以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工做出合理預(yù)測(cè)，減少風(fēng)險(xiǎn)。

擬采用大型商業(yè)通用有限元分析軟件plaxis2d按連續(xù)介質(zhì)有限元方法進(jìn)行彈塑性分析。該軟件具有強(qiáng)大的非線性分析能力，在國(guó)內(nèi)外巖土工程數(shù)值分析中得到廣泛的應(yīng)用，對(duì)于基坑開(kāi)挖及降水全過(guò)程模擬有相當(dāng)?shù)木_度。

表1 建筑和構(gòu)筑物概況

1 模型參數(shù)選取

1.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

根據(jù)基坑開(kāi)挖對(duì)周邊的影響范圍，合理選取模型尺寸可減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。計(jì)算模型尺寸為100m（X方向）×30m（Y方向），基坑深度為5.6m，隧道中心間距25m，左側(cè)距離基坑為12.2m。模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 本構(gòu)模型

（1）土體采用應(yīng)變強(qiáng)化土模型（HS）。不同于理想彈塑性模型，硬化塑性模型的屈服面在主應(yīng)力空間中不是固定的，而是由塑性應(yīng)變的發(fā)生而膨脹。硬化可以分為兩種主要的類型，分別是剪切硬化和壓縮硬化。剪切硬化用于模擬主偏量加載帶來(lái)的不可逆應(yīng)變。壓縮硬化用于模擬固結(jié)儀加載和各向同性加載中主壓縮帶來(lái)的不可逆塑性應(yīng)變。這兩種類型的硬化都包含在當(dāng)前的模型之中。Hardening-Soil模型是一個(gè)可以模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體行為的先進(jìn)模型（Schanz，1998）。在主偏量加載下，土體的剛度下降，同時(shí)產(chǎn)生了不可逆的塑性應(yīng)變。在一個(gè)排水三軸試驗(yàn)的特殊情況下，觀察到軸向向應(yīng)變與偏差應(yīng)力之間的關(guān)系可以很好地由雙曲線來(lái)逼近。Kondner（1963）最初闡述了這種關(guān)系，后來(lái)這種關(guān)系用在了著名的雙曲線模型（Duncan & Chang,1970）中。然而，Hardening-Soil模型目前已經(jīng)取代了這種雙曲模型。首先，它使用的是塑性理論，而不是彈性理論。其次它考慮了土體的剪脹性。再次，它引入了一個(gè)屈服帽蓋。模型的一些基本特征如下：

剛度依據(jù)某個(gè)冪率的應(yīng)力相關(guān)性。輸入?yún)?shù)m

依據(jù)Mohr-Coulomb模型的破壞模式。輸入?yún)?shù)c，φ，ψ。

當(dāng)前Hardening-Soil模型的一個(gè)基本特征是土體剛度是應(yīng)力相關(guān)的。比如當(dāng)應(yīng)力和應(yīng)變是在固結(jié)儀條件下時(shí)，模型隱含的關(guān)系是：

在軟土這一特殊情況下，使用m=1是現(xiàn)實(shí)的。這時(shí)，軟土模型中所用修正壓縮指數(shù)λ*和固結(jié)儀加載模量之間存在如下簡(jiǎn)單關(guān)系：

圖2 標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗(yàn)主加載下雙曲型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

在這里qa是抗剪強(qiáng)度的漸進(jìn)值。

（2）其他單元本構(gòu)模型。①計(jì)算中，圍護(hù)樁、抗拔樁采用等效剛度法可簡(jiǎn)化為h厚的板：

式中：d為排樁直徑；bk為排樁間距。

圍護(hù)樁、錨桿、隧道等材料變形較小，均處于彈性階段，采用彈性模型進(jìn)行模擬。

②材料參數(shù)取值。對(duì)相似土層作了合并，計(jì)算中不同土層的模型參數(shù)、重度、側(cè)壓力等，從地質(zhì)報(bào)告中得到，其他通過(guò)地質(zhì)報(bào)告中的數(shù)據(jù)，結(jié)合理論、經(jīng)驗(yàn)及軟件說(shuō)明中的公式進(jìn)行推導(dǎo)反演分析得到。主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土體計(jì)算參數(shù)表

③邊界條件。模型底部約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側(cè)約束條件為水平方向固定，豎直方向自由。

2 分析結(jié)果

2.1 模擬工況

根據(jù)基坑圍護(hù)圖紙，對(duì)基坑開(kāi)挖的工況模擬如表3所示。

表3 施工步驟一覽表

2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖3～13所示。

圖3 施工后土體水平位移

圖4 施工后土體豎向位移

圖5 圍護(hù)墻水平位移

圖6 圍護(hù)墻彎矩

圖7 圍護(hù)墻軸力

圖8 圍護(hù)墻剪力

圖9 隧道變形

圖10 隧道初始彎矩

圖11 隧道最終彎矩

圖12 隧道初始軸力

圖13 隧道最終軸力

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述計(jì)算：圍護(hù)墻水平變形為23.7mm，滿足《基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》要求的二級(jí)基坑錨桿支護(hù)體系0.006h=33.6mm的限值。左側(cè)隧道最大變形為0.58mm，彎矩增加19.93kNm，軸力增加了10.5kN，經(jīng)計(jì)算滿足規(guī)范要求。

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2096-2789（2016）11-0036-03