軟土地區(qū)深大基坑分區(qū)開挖力學(xué)效應(yīng)數(shù)值模擬

沈 玉 濤

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530001)

軟土地區(qū)深大基坑分區(qū)開挖力學(xué)效應(yīng)數(shù)值模擬

沈 玉 濤

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530001)

以上海世博地下變電深大基坑工程為背景，基于ABAQUS軟件，通過二維彈塑性有限元數(shù)值模擬的方法，分析深大基坑的分區(qū)開挖力學(xué)效應(yīng)，監(jiān)測(cè)分析圍護(hù)體測(cè)斜、水平位移、垂直位移、支撐內(nèi)力、分層沉降、孔隙水壓力分布等隨時(shí)間變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：深大基坑開挖施工會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，至支撐拆除期間，變化量在一個(gè)可控的范圍內(nèi)變動(dòng)而且地表位置差異沉降較小，其余各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目沉降數(shù)據(jù)都比較穩(wěn)定未發(fā)生較大的突變，周邊環(huán)境以及基坑結(jié)構(gòu)自身變形均處于受控狀態(tài)。研究成果可為今后類似工程提供理論指導(dǎo)。

深大基坑；分區(qū)開挖；力學(xué)效應(yīng)；二維有限元數(shù)值模擬

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加劇，為滿足日益增長(zhǎng)的城市出行、軌道交通換乘、商業(yè)、停車等日常生活服務(wù)功能的需要，各種高層建筑物、地下車庫(kù)和地鐵等建筑物大規(guī)模興建。在高層建筑數(shù)量越來(lái)越多的同時(shí)，基坑工程向“大、深、緊”方向發(fā)展已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)[1]。

在我國(guó)沿海地區(qū)深大基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，工程設(shè)計(jì)人員首先要考慮擋墻結(jié)構(gòu)形式、支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取以及如何處理相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)等問題。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與基坑周邊的變形受到很多因素的控制，例如：支護(hù)類型、支護(hù)體剛度、支撐道數(shù)、支護(hù)墻體的嵌固深度、土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)、地下水滲流以及開挖施工方式等因素[2-3]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深大基坑工程問題進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的成果[4-9]。但大多數(shù)研究都是規(guī)模較小的基坑工程實(shí)例，對(duì)于現(xiàn)階段在沿海地區(qū)出現(xiàn)的深大基坑工程很少有所涉及，并且基坑工程的地域性差別非常明顯，各地區(qū)土層都有其自身的特點(diǎn)，不同地層下的基坑穩(wěn)定性又呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)形式[10-11]。沿海軟土地區(qū)土層特性條件下的基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性值得進(jìn)一步研究。

本文在收集一些基礎(chǔ)性基坑勘察報(bào)告及上海、寧波、杭州等地區(qū)實(shí)際工程統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，借助大型有限元數(shù)值模擬方法，以上海世博地下變電深大基坑工程為背景，分析深大基坑的分區(qū)開挖力學(xué)效應(yīng)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為軟土地區(qū)基坑工程的設(shè)計(jì)和后續(xù)施工提供一定的理論參考。

1 工程概況

已建的500 kV靜安(世博)變電站，工程總投資近30億元，占地約13 300 m2。變電站建筑設(shè)計(jì)為筒形地下四層結(jié)構(gòu)。筒體外徑130 m，埋置深度34.5 m(如圖1所示)，它是我國(guó)目前城際供電網(wǎng)中最大的地下變電站，其建設(shè)規(guī)模居同類工程之首，也是世界上第二座500 kV大容量全地下變電站，國(guó)際上僅有日本新豐洲變電所(直徑144 m，埋深29 m，500 kV)能與之媲美。

圖1上海世博地下變電基坑工程效果圖

基坑開挖深度為9.67 m，采用1000@1200灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)為18.8 m，樁頂標(biāo)高為-3.1 m。計(jì)算時(shí)考慮地面超載20 kPa?；釉O(shè)計(jì)開挖深度取9.67 m。地面超載取值：基坑?xùn)|側(cè)為30 kPa；其余各側(cè)為20 kPa?；幽蟼?cè)和北側(cè)的北環(huán)西路和金型二路路面標(biāo)高由東向西漸高，另行考慮道路超載。土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用固快指標(biāo)，根據(jù)本工程勘察報(bào)告適當(dāng)折減后取值，各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 二維有限元模型構(gòu)建

2.1 模型幾何尺寸

為了貼合實(shí)際，本次建模完全按照工程實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬，定義模型的尺寸與支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的示意圖如圖2所示。根據(jù)已有文獻(xiàn)[12]，利用二維有限元得出，支撐水平間距在正常布局的情況下對(duì)基坑變形的影響可以忽略不計(jì)[13-14]。本文中考慮基坑開挖深度大于9 m深大基坑，并考慮分區(qū)分步開挖，有限元基本模型?、耦?、Ⅱ類、Ⅲ類三種，分別對(duì)應(yīng)于沿海地區(qū)地下連續(xù)墻支護(hù)體系基坑的A類、B類、C類。第一道支撐在開挖深度1 m處，支撐的豎向間距為h=5 m?；灸Ｐ椭谢拥钠矫嫘螤?0 m×20 m。在計(jì)算模型中，根據(jù)地質(zhì)勘察資料將滲透系數(shù)取值定為10-6cm/s。

圖2深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

基坑模型中土層的厚度取上海市區(qū)濱海平原區(qū)域土層厚度的平均值[15]。為了盡可能減小模型邊界條件對(duì)基坑變形的影響，根據(jù)已有相關(guān)文獻(xiàn)[12]，基本模型的幾何尺寸取60 m×20 m。對(duì)于Ⅰ類基坑，地下連續(xù)墻厚度采用1 000 mm，支撐采用鋼筋混凝土。數(shù)值模型中，土體參數(shù)取值與實(shí)際工程相同(如表1所示)，支撐材料參數(shù)如表2所示。

表2 有限元支撐模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 建立數(shù)值模型及邊界條件

在所構(gòu)建的有限元數(shù)值模型中，左右兩邊采用固定約束，而底邊采用上下自由左右固定的約束條件進(jìn)行約束，模型采用六面體單元，建模完成后，總共有27 549個(gè)單元，土體的計(jì)算模型采用摩爾-庫(kù)侖模型，對(duì)基坑的左、右邊界約束其水平與垂直位移及限制其轉(zhuǎn)動(dòng)的約束條件。根據(jù)工程實(shí)際情況，構(gòu)建所得有限元數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖3有限元數(shù)值計(jì)算模型

2.4 數(shù)值模型監(jiān)測(cè)內(nèi)容

在最終計(jì)算結(jié)果中，本文主要提取出了圍護(hù)體測(cè)斜、水平位移、垂直位移、支撐內(nèi)力、分層沉降、孔隙水壓力分布等數(shù)據(jù)。主要監(jiān)測(cè)位置如圖4所示。

圖4數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)位置示意圖

考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，地表沉降僅監(jiān)測(cè)到坑外左側(cè)位置10 m處，孔隙水壓力布置A、B、C、D四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)在靠坑邊界處設(shè)置A、B、C和D四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，支撐內(nèi)力主要考慮上下兩個(gè)位置處的支撐內(nèi)力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過計(jì)算可知，水平和豎向位移云圖分別如圖5～圖8所示。明顯可見，在分區(qū)開挖時(shí)，由于兩個(gè)基坑都存在支護(hù)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因而中間部分土體的變形并不明顯，僅在基坑底部產(chǎn)生隆起值，而這種隆起值較最終狀態(tài)下結(jié)果要小。拆除支撐開挖完全后，在開挖完成的深大基坑底部產(chǎn)生較大的隆起量，坑外地表由于地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐的存在，變形并不十分明顯，且支撐結(jié)構(gòu)的變形也并不顯著。

就結(jié)構(gòu)受力而言(如圖9～圖13所示)，支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力較明顯，且支撐桿位于基坑邊界處時(shí)受力最大，在支撐結(jié)構(gòu)中心處力反而較小，這是由于坑外覆土對(duì)支撐產(chǎn)生的彎矩作用所致。而地下連續(xù)墻在最深處時(shí)受力較大，整體而言兩邊均呈對(duì)稱分布。

圖5 數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)位置示意圖

圖6 數(shù)值模擬水平位移云圖

圖7 數(shù)值模擬豎向位移云圖

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移云圖

圖9 數(shù)值模擬分區(qū)開挖水平應(yīng)力云圖

圖10 數(shù)值模擬分區(qū)開挖豎向應(yīng)力云圖

圖11 開挖完成后水平方向應(yīng)力云圖

圖12 開挖完成后總應(yīng)力云圖

圖13圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總應(yīng)力云圖

3.1 地表沉降分析

通過計(jì)算可知，地表沉降曲線圖如圖14所示。由圖14可見，靠近基坑左邊界處的地表沉降值較大，最大值約為5.2 mm，通過查詢規(guī)范可知，在1倍深度范圍內(nèi)的變形容許值之內(nèi)，在基坑施工時(shí)該地表變形量可以被接受，在距離邊界大約7 m處(即橫坐標(biāo)為3 m處)時(shí)，地表沉降有一個(gè)突然地減小，但距離為8.7 m時(shí)，地表位置處幾乎沒有地表變形存在。

圖14地表沉降曲線圖

對(duì)于坑邊界右側(cè)的地表，可以根據(jù)對(duì)稱性可知，呈對(duì)稱反向分布。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化量均未達(dá)到報(bào)警值，直至支撐拆除期間，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目沉降數(shù)據(jù)都比較穩(wěn)定未發(fā)生較大的突變。在基坑底板完成后數(shù)據(jù)已穩(wěn)定。

3.2 地表沉降分析

坑外地層分層沉降變化規(guī)律如圖15所示。與地表沉降曲線相比，坑外地層分層沉降與之相差不大，變形趨勢(shì)幾乎相同。在監(jiān)測(cè)的第一層位置處，該層沉降明顯偏小，這是由于該層土體位于黏性土層中，變形較其他地層小。而監(jiān)測(cè)位置的第2、3、4層沉降相差不大，基本上在5 mm上下波動(dòng)。這與地表沉降的變化規(guī)律互相吻合，且可以推斷出在施工過程中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化表現(xiàn)為普遍增大，增大幅度不大，地層分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量位于-5.8 mm～-3.5 mm之間?；娱_挖施工時(shí)，由于坑外地面距離較近，因而產(chǎn)生了一定的影響。

圖15坑外地層分層沉降曲線

3.3 孔隙水壓力分析

孔隙水壓力分布如圖16。整體而言，A、B、C、D點(diǎn)孔隙水壓力呈不規(guī)則變化，開挖完成20 min～50 min發(fā)生劇烈變化，這是由于這段時(shí)間正好處于分區(qū)分步開挖過程中，孔隙水壓力呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)。這也從一個(gè)側(cè)面反映出此時(shí)對(duì)于深基坑的開挖非常不穩(wěn)定，處于最危險(xiǎn)期。當(dāng)開挖形成后，可以清晰地看到4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力逐漸趨于平緩，最終值分別為：A監(jiān)測(cè)點(diǎn)為41 kPa；B監(jiān)測(cè)點(diǎn)為59.3 kPa；C監(jiān)測(cè)點(diǎn)為63.5 kPa；D監(jiān)測(cè)點(diǎn)為72.1 kPa。

圖16孔隙水壓力變化規(guī)律

3.4 支撐軸力

開挖過程中，兩道支撐的軸力隨時(shí)間變化規(guī)律如圖17所示。在施工開始階段，支撐由于受到土體的主動(dòng)土壓力作用，突然變大。同樣的在20 min～50 min之間過程中存在較大波動(dòng)，分區(qū)分步開挖拆除支撐后，軸力變得不穩(wěn)定呈上下跳躍趨勢(shì)。當(dāng)開挖完成后，地下連續(xù)墻的圍護(hù)作用限制了坑邊土體的向下滑移，支撐所受軸力逐漸趨于穩(wěn)定。將兩道支撐軸力對(duì)比可見，上道支撐受力較下道支撐大，這與實(shí)際施工相吻合。施工完成后，上道支撐最終軸力大約為23 kN，下道支撐最終軸力大約穩(wěn)定在17.5 kN。

圖17軸力隨時(shí)間變化規(guī)律

3.5 圍護(hù)測(cè)斜

圍護(hù)測(cè)斜隨時(shí)間變化規(guī)律如圖18所示。由于施工后期穩(wěn)定過程中圍護(hù)墻體的變形依然在不斷增加，故取施工完成后若干天的整體變形趨勢(shì)。由圖18可以發(fā)現(xiàn)，在開挖完成4 d內(nèi)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形呈不斷緩慢增加的趨勢(shì)，并逐漸達(dá)到最大值。從第5 d開始，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形逐漸趨于穩(wěn)定，且A、B、C、D四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，這與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果相吻合。達(dá)到最終狀態(tài)時(shí)，A、B、C、D四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終變形分別為3.8 mm、5.1 mm、6.5 mm和6.9 mm。變形均處于規(guī)定范圍內(nèi)，可見整個(gè)施工過程中基坑均處于穩(wěn)定安全狀態(tài)。

圖18圍護(hù)測(cè)斜隨時(shí)間變化規(guī)律

4 結(jié) 論

本文針對(duì)上海世博地下變電深大基坑工程施工過程進(jìn)行了二維有限元數(shù)值模擬研究， 重點(diǎn)分析了圍護(hù)體測(cè)斜、水平位移、垂直位移、支撐內(nèi)力、分層沉降、孔隙水壓力分布等結(jié)果。主要結(jié)論有：

(1) 深大基坑開挖施工時(shí)，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，但施工中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化量均未達(dá)到警報(bào)值，直至支撐拆除，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目沉降都較穩(wěn)定未發(fā)生大的突變。在基坑底板完成后已穩(wěn)定。

(2) 在施工期間，變化量在可控的范圍內(nèi)變動(dòng)且地表位置差異沉降較小，其間未發(fā)生突變。頂板完成，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化均較小，周邊環(huán)境以及基坑結(jié)構(gòu)自身變形均處于受控狀態(tài)。

(3) 本次監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形速率得到了較好控制，對(duì)基坑自身以及環(huán)境保護(hù)起到很好效果，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，基坑開挖施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍不同區(qū)域產(chǎn)生了不同程度影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受施工影響較大，因此變形相對(duì)較大；周圍環(huán)境受施工影響較小。

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NumericalSimulationofMechanicalEffectforDeepandLargeFoundationPitExcavationinSoftSoilRegion

SHEN Yutao

(CollegeofCivilEngineeringandArchitectureGuangxiUniversity,Nanning,Guangxi530001,China)

Based on the deep foundation pit project of Shanghai Expo underground substation, the two-dimensional elastic-plastic finite element numerical simulation method is adopted to analyze the mechanical effect of excavation in deep and large foundation pit based on ABAQUS. Monitoring and analysis of retaining inclinometer and horizontal displacement, vertical displacement and internal force of supporting structure, layered settlement and pore water pressure distribution with time variation. The results show that the construction will have an impact on the surrounding environment of excavation of deep foundation pit, to support the demolition period, the variation of changes in a controllable range of position and surface differential settlement is small, the rest of the monitoring project settlement data are more stable and not the larger mutation, the surrounding environment and the structure of its foundation pit deformation are in a controlled state. The research results can provide theoretical guidance for similar projects in the future.

deepfoundationpit;districtexcavation;mechanicaleffect;two-dimensionalfiniteelementnumericalsimulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.005

2017-06-27

2017-08-01

沈玉濤(1979—)，男，廣西南寧人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)及施工工作。 E-mail:21598025@qq.com

TU47

A

1672—1144(2017)06—0023—05