深基坑施工中的支護(hù)與地表變形分析

劉愛平 艾麗華 丁 輝

(江西新余國科科技股份有限公司,江西 新余 338034)

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深基坑施工中的支護(hù)與地表變形分析

劉愛平 艾麗華 丁 輝

(江西新余國科科技股份有限公司,江西 新余 338034)

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立了1/4的數(shù)值模型，對不同情況下的基坑進(jìn)行了仿真模擬，得到基坑不同位置處的支護(hù)變形規(guī)律和距離基坑不同距離的地表變形趨勢，所得結(jié)論可為深基坑施工的安全設(shè)計提供參考。

深基坑，支護(hù)，地表變形，F(xiàn)LAC3D

深基坑是指為建筑物或構(gòu)筑物地基與地下施工而開挖的地下空間，一般將深度不低于7 m的深坑稱為深基坑[1]。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)正逐漸向高空和地下發(fā)展。由于城市用地緊張，高層建筑之間的距離也越來越近。改革開放之后，我國的高層建筑物越來越多，迄今國內(nèi)的高層建筑已超過1.3億 m2[2,3]，超高建筑也越來越多。由于高層建筑必須有足夠的埋深以保證穩(wěn)定性，同時為了開發(fā)地下空間(停車場、地下商場、地下倉庫等)，建筑物的基礎(chǔ)埋置深度也逐漸變大，客觀上使得深基坑越來越多?；娱_挖時會引起建筑周圍的土體擾動，使已有建筑物的地基隨土體發(fā)生位移和沉降，同時使開挖的土體卸力，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，為建筑安全帶來隱患[4]。本文對距離基坑不同距離處，基坑開挖對地表和建筑物的影響進(jìn)行了分析，所得結(jié)論可為建筑行業(yè)的安全設(shè)計提供參考。

1 仿真方法與模型

1.1 方法概述

在進(jìn)行深基坑相關(guān)研究的過程中，一般采用模型試驗和原位試驗的方法，通過收集數(shù)據(jù)結(jié)合理論分析得出相關(guān)結(jié)論，但是模型試驗和原位試驗的成本高、周期長，且數(shù)據(jù)精度差。相比之下，利用數(shù)值仿真的方法可以彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)，同時可以方便的調(diào)整參數(shù)，便于尋找規(guī)律性的結(jié)論。在巖土工程中，常用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。FLAC3D是一個采用有限差分法的仿真軟件，可以高度精確的模擬土方、巖石在達(dá)到塑性形變后發(fā)生屈服流動的過程[5]。該軟件材料庫包含了多種常見的建筑材料，同時擁有強(qiáng)大的前后處理功能，可模擬包括力學(xué)、熱傳導(dǎo)、流體運(yùn)動在內(nèi)的多種物理過程。FLAC3D特有的運(yùn)動方程顯示時間逼近解法能較好的用于分析巖體破壞和工程材料的大變形，可用于模擬實際工程中巖體的力學(xué)性能和變形特性。

1.2 仿真模型

本文中，基坑開挖面積為1 200 m2，基坑長40 m，寬30 m，深度為10 m。為消除邊界影響，模型尺寸不能過小，最后擬定模型大小如圖1所示，建立的數(shù)值仿真模型如圖2所示，由于基坑效應(yīng)是軸對稱的，為節(jié)省機(jī)時，建立1/4模型進(jìn)行分析?；拥闹ёo(hù)模型為排樁加土釘支護(hù)方式。

1.3 材料參數(shù)

本文采用Drucker-Prager(D-P)假設(shè)作為土體的材料模型，從地面往深大致可分為黃土層，古土壤層和粉質(zhì)粘土層。各層的物理性質(zhì)如表1所示[6]。

表1 各種土層的物理性質(zhì)

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形

在基坑開挖之后，土體的基坑一側(cè)失去支撐，支護(hù)結(jié)構(gòu)在合力作用下，發(fā)生變形。為研究支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律，設(shè)置建筑與基坑距離為5 m，10 m和15 m，考察不同情況下，不同樁長頂部結(jié)構(gòu)的水平位移，結(jié)果如圖3～圖5所示。

基坑開挖時，遠(yuǎn)端(15 m)的位移要大于近端(0 m)，且隨著工程的推進(jìn)，遠(yuǎn)端的增幅較為明顯。在基坑剛開挖時，對排樁的壓力作用較小，而樁底端的土體位移較大，因此下部的位移大于上部。而深度的增加會使這個趨勢更加明顯。在樁長6 m時，達(dá)到極限，超過這個拐點(diǎn)，排樁的水平位移不再增大，支護(hù)結(jié)構(gòu)不再向基坑內(nèi)部偏移。在拐點(diǎn)處，土體位移的變化標(biāo)志著應(yīng)力場的變化與重分布，這對于周圍的建筑會產(chǎn)生不利影響。通過上述分析可知，排樁的變形受到了基坑深度，支護(hù)位置和支護(hù)方式的影響。在城市建筑中，基坑臨近的建筑物通過地表應(yīng)力傳播，向支護(hù)施加側(cè)向壓力，尤其對淺層樁的影響較大，在施工時應(yīng)加以注意。

2.2 地表沉降

對建筑物距離基坑15 m時，與基坑不同距離處的地表沉降進(jìn)行分析。得出與基坑不同距離處的沉降值變化情況見圖6。從圖6中可以看出，在靠近基坑處，地表呈現(xiàn)隆起變化，隨著距離的增加，隆起的幅度逐漸減小，從距離35 m更遠(yuǎn)處，地表開始沉降。由于計算規(guī)模所限，未能得出更遠(yuǎn)處的數(shù)據(jù)，但依據(jù)其變化趨勢，可推斷經(jīng)過一段距離的變化后，沉降將終止，土體與地表持平。在與基坑中間位置(y=0)同一方位的土體中，土體的隆起要明顯大于基坑邊緣處(y=15)，且隨距離的變化，隆起的情況將以更快的速度消失。

3 結(jié)語

建立了與建筑物不同距離處的基坑模型，對不同距離處，基坑不同位置的排樁位移以及不同距離處的地表變化進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：1)距離基坑近處地表發(fā)生隆起，隨后逐漸減小直至向下沉陷。2)樁頂?shù)臋M向位移隨著基坑開挖不斷增大，但存在一拐點(diǎn)，超過此點(diǎn)后位移不再增加，反而開始減小，位移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。此拐點(diǎn)處土體的豎向位移最大，支護(hù)變化也最大，需要在施工時特別注意。

[1] 廖 瑛.深基坑及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展綜述[J].科技進(jìn)步與對策,2003(S1):252-253.

[2] 林希強(qiáng).基坑復(fù)合土釘支護(hù)全過程內(nèi)力及變形研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學(xué),2004.

[3] 李愛民.深基坑土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2006.

[4] 舒?zhèn)ジ?深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與土的相互作用機(jī)理研究[D].長沙：長沙理工大學(xué),2009.

[5] 孟 廈.FLAC3D前處理程序開發(fā)及其工程應(yīng)用研究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2009.

[6] 張愛英.基坑開挖對鄰近建筑物影響的數(shù)值模擬分析[D].西安：西安科技大學(xué),2008.

Analysis of shoring and surface deformation during the deep excavation construction

Liu Aiping Ai Lihua Ding Hui

(Jiangxi Xinyu Guoke Technology Co., Ltd, Xinyu 338034, China)

A quarter numerical models were built and the foundation pit under various situations was simulated by FLAC3D. The deformation regularity of support systems and ground surface settling was obtained and this research will provide further guide for the safety design of deep foundation excavation.

deep foundation excavation, shoring, surface deformation, FLAC3D

1009-6825(2017)08-0064-02

1009-6825(2017)08-0062-02

2017-01-07

劉愛平(1971- ),男,工程師

TU463

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