楊泗港長江大橋北錨碇超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

(1.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，武漢 430000;2.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430000)

1 引言

近年來，深基坑開挖的穩(wěn)定性是實踐中遇到的主要問題。大量的深基坑開挖都分布在建筑物比較密集的地區(qū)，附近會有很多相鄰建筑物、街道、地下管線、地下設(shè)施及地下水，這些因素都會使深基坑工程的施工條件變得復(fù)雜，且會造成基坑內(nèi)外土體應(yīng)力狀態(tài)的改變，從而導(dǎo)致土體的變形。深基坑監(jiān)測不僅可以保證基坑支護(hù)和相鄰建筑物的安全，驗證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，還可以指導(dǎo)基坑開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的信息化施工，為完善設(shè)計分析提供必要的依據(jù)。許多研究人員針對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形以及地表沉降規(guī)律等問題進(jìn)行深入研究，成果十分豐富。劉勇等[1]結(jié)合有限差分軟件FLAC 3D三維數(shù)值模擬程序和北京某深基坑實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過修正模型，使預(yù)測結(jié)果更趨近于實際監(jiān)測結(jié)果。任建喜等[2]以西安地鐵2號線北大街車站深基坑工程為背景，運用FLAC模擬計算分析了圍護(hù)樁的變形、鋼支撐軸力變化和錨索受力變化的規(guī)律。趙彥慶等[3]通過對天津某地鐵車站明挖深基坑工程鋼支撐軸力的監(jiān)測資料進(jìn)行分析，得出基坑開挖過程中各層鋼支撐軸力的變化規(guī)律，同時，運用有限元軟件MIDAS/GTS對基坑開挖施工階段進(jìn)行模擬分析，得出基坑在不同開挖階段鋼支撐軸力云圖，并與實際施工階段較為接近[4-5]。

由于地下深基坑一般為矩形或不規(guī)則的多邊形，而楊泗港大橋深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特殊性，該圓形基坑采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，逆做法施工內(nèi)襯，基坑內(nèi)部不設(shè)支撐，利用(連續(xù)墻和內(nèi)襯)自身的拱效應(yīng)提供支撐。根據(jù)工程具體情況，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用有限元軟件對基坑進(jìn)行模擬，將實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，總結(jié)基坑在開挖過程中土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

2 工程概況

江大橋工程全長4.13km，主橋采用主跨1 700m的單跨懸吊鋼桁梁懸索橋，主桁為華倫式桁架。漢陽側(cè)主塔高231.9m，武昌側(cè)主塔高243.9m，主塔基礎(chǔ)為沉井基礎(chǔ)，錨碇采用地連墻結(jié)構(gòu)型式。

主纜跨度為465m+1700m+465m=2630m，主跨1 700m，邊跨465m，邊主跨比0.274，主跨矢跨比1/9。根據(jù)《武漢楊泗港長江大橋工程地質(zhì)初勘報告及部分詳勘報告和資料，對本建筑場地，工程地質(zhì)分述如下：漢陽岸錨碇處覆蓋層中上部為全新統(tǒng)松散或中密狀粉、細(xì)砂，軟塑狀粉質(zhì)黏土及流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚約31～33m，工程性能差； 覆蓋層中下部為硬塑—堅硬狀黏土夾密實狀圓土，工程性能好，厚約20～30m； 基巖埋深51～54m，主要為白堊—第三系泥泥質(zhì)砂巖、疏松砂巖。錨碇基礎(chǔ)頂高程為24.0m，基礎(chǔ)底面高程為-15.0m，地連墻底面高程為-35.0m，基礎(chǔ)深39.0m，地連墻總深度59.0m，地連墻入中等膠結(jié)泥質(zhì)砂巖內(nèi)約5m。

3 開挖過程的數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型的建立步驟

首先由AutoCAD保存成的DXF或DWG二維線框格式幾何曲線，擴(kuò)展生成三維幾何形狀建立土體以及地下連續(xù)墻模型，然后輸入基本的巖土結(jié)構(gòu)材料屬性，形成開挖前土體的初始應(yīng)力，通過定義本構(gòu)模型和賦予材料參數(shù)，從而限定模型對于外界擾動做出的變化規(guī)律。把初始平衡引起的位移歸零，定義計算區(qū)域的邊界條件、荷載、初始條件，以此來定義模型的初始狀態(tài)。

3.2 計算區(qū)域及邊界條件確定

土體采用修正摩爾庫倫模型，該土體本構(gòu)是 Midas GTS NX新增本構(gòu)，可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，采用 M-C 破壞準(zhǔn)則，適合于多種土類的破壞和變形行為的描述。該模型克服了 M-C 模型的一些弊端，如該模型可模擬初次加載和卸載—再加載之間的剛度差別。由于深基坑面積較大，計算整個深基坑模型導(dǎo)致網(wǎng)格和節(jié)點過多，造成計算量大，使軟件計算的速度緩慢，所以選取該基坑北側(cè)的一段進(jìn)行數(shù)值模擬，該段深基坑深度為39m，根據(jù)工程實際經(jīng)驗，基坑開挖影響深度為開挖深度的2～4 倍，影響寬度為開挖深度的3～4 倍，由此來確定模型的影響范圍。而對于計算域的邊界，一般是這樣考慮的：原則上此范圍要達(dá)到基坑開挖結(jié)構(gòu)受力后不再產(chǎn)生變位影響的邊界為止。考慮到基坑形狀和所受荷載的對稱性，取1/4模型作為最終的計算模型(圖1)。開挖部分用實體單元模擬，計算模型的規(guī)模為105 257個單元。

圖1 楊泗港長江大橋基坑開挖1/4有限元模型

3.3 計算模型參數(shù)取值

地下連續(xù)墻、混凝土支撐按照理想彈性材料來模擬，土體的計算參數(shù)有：容重、泊松比、黏聚力、摩擦角、彈性模量、膨脹角，體積模量、切變模量計算公式為：

式中，K 為體積模量； E為彈性模量； ν為泊松比； G為切變模量。

模型類型均為各向同性—莫爾—庫倫，泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)1×10-61[T]，阻尼比0.05，粘聚力0.03 N/mm2，摩擦角36。滲透系數(shù)kx、ky、kz方向均為0.01mm/sec，初始孔隙比0.5。

表1 土體的彈性模量及容重

3.4 計算工況

計算模擬了基坑的開挖及支護(hù)的建造過程。實際工程中每次開挖深度為3m，數(shù)值模擬計算中按每步開挖深度3m設(shè)置一個工況，每層土層開挖與內(nèi)襯施工分別設(shè)為一個工況，工況分析見表2，計算過程共考慮了26個工況。

表2 分析工況

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.5.1 地下連續(xù)墻應(yīng)力與變形

由于地連墻結(jié)構(gòu)體系相當(dāng)于一個豎直的懸臂梁，在土壓力及地下水的作用下，在地連墻的根部會有較大的負(fù)彎矩，根部外側(cè)的拉應(yīng)力會較大，但考慮實際情況，土體和基巖會有一定的變形，一部分應(yīng)力會得到釋放，實際的拉應(yīng)力會比計算值小。地下連續(xù)墻在基坑底部：即施工階段為第12層開挖土，最大值為0.901MPa； 最大壓應(yīng)力為出現(xiàn)在第12層未加內(nèi)襯施工前的時候，最大值為5.082MPa。地下連續(xù)墻最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力均小于C30混凝土強度設(shè)計值，說明地下連續(xù)墻在兩側(cè)對稱同步開挖條件下是安全的。地下連續(xù)墻在各個開挖工況下的變形和應(yīng)力計算結(jié)果匯總見表3。

表3 地下連續(xù)墻應(yīng)力與變形

3.5.2 內(nèi)襯應(yīng)力

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力為1.015MPa，發(fā)生在第十二內(nèi)襯施工完畢，位置多出現(xiàn)在中隔墻襯砌與2m厚弧形襯砌段交接區(qū)域的中隔墻襯砌部分區(qū)域。最大主壓應(yīng)力為，發(fā)生在第12層內(nèi)襯施工完畢，內(nèi)襯最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力均小于C30混凝土強度設(shè)計值，說明內(nèi)襯在兩側(cè)同步開挖條件下是安全的。

表4 各個開挖工況下的內(nèi)襯應(yīng)力

3.5.3 周圍土體沉降分析

以基坑開挖的中心作為圓點，首先，計算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移曲線； 其次，根據(jù)所求得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線，將其劃分為利用正向轉(zhuǎn)動、反向轉(zhuǎn)動及撓曲三種不同的基本變形模式，并確定三種模式的位移最大值[6]； 最后，根據(jù)上文所求的對應(yīng)于各種基本模式的經(jīng)驗公式，求解每一基本模式所對應(yīng)的坑外深層土體任意點沉降值，并對三者進(jìn)行疊加，從而才能求得坑外任意深度處土體的沉降值。從圖2可以看到，地下連續(xù)墻外側(cè)地面的沉降規(guī)律，最大沉降在距離地連墻3到4m范圍，最大值為2.41mm。由于有限元模型在外側(cè)土體與地連墻之間設(shè)置了接觸單元，與實際情況符合，所以這個沉降分布比較符合通常的基坑開挖地連墻外側(cè)地表沉降的規(guī)律[7]。此外，通過具體的工程實例對坑外土體深層土體沉降經(jīng)驗曲線進(jìn)行了驗證，得到了較為吻合的結(jié)果。

圖2 土體沉降量的變化

表5為地下連續(xù)墻外側(cè)土體沉降量的變化情況，每個點值都是其對應(yīng)施工階段的最大值，可以看到最后一個施工階段的沉降量最大，最大值為2.97mm； 第二個施工階段(地下連續(xù)墻與冠梁的施工)由于對地表的擾動較大，沉降會有一個突變，這個階段的地面沉降最大值為1.86mm。

4 實測結(jié)果

4.1 地下連續(xù)墻側(cè)向變形的比較分析

基坑開挖之前應(yīng)在可能產(chǎn)生較大變形的部位做出系統(tǒng)的監(jiān)測方案，依據(jù)設(shè)計要求和相關(guān)規(guī)定布置好監(jiān)測點，繪制施工平面布置圖； 并與現(xiàn)場測量點一一對應(yīng)[8]。根據(jù)要求，現(xiàn)場監(jiān)測的內(nèi)容主要地下連續(xù)墻水平位移及內(nèi)力土體分層豎向位移。監(jiān)測點如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點平面布置示意圖

由圖4現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬對比發(fā)現(xiàn)，基坑在開挖初期還未設(shè)支撐的情況下，位移變形較為明顯，第一道內(nèi)支撐架設(shè)之后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移受到一定控制，但地下連續(xù)墻的位移仍在緩慢持續(xù)增長，隨著基坑開挖深度的增加，地下連續(xù)墻變形整體呈“大肚”[9]，地下連續(xù)墻x方向最大水平位移為5.40mm，y方向最大水平位移為6.47mm。

圖4 地連墻水平位移對比圖

在開挖到相同的深度時，雖然基坑的變形曲線趨勢基本一致，但變化量上監(jiān)測值要小于數(shù)值模擬的數(shù)值。經(jīng)分析得知，由于假定的計算條件與實際條件存在的差異性以及施工過程和巖土參數(shù)的變異性等原因，使得計算值與實測值存在一定差別[10]。例如本項目開挖地區(qū)降水量與地下水含量均較大，另外施工過程中支撐架設(shè)不及時，故而可能是導(dǎo)致檢測數(shù)值較小的主要原因。

4.2 內(nèi)襯應(yīng)力對比分析

內(nèi)襯墻內(nèi)設(shè)置三組應(yīng)力監(jiān)測剖面NC01～NC03，每個剖面按不同的深度埋設(shè)三組[11]，其中第一組應(yīng)力計布置在帽梁頂向下15m處，以后每隔6m埋設(shè)一組，監(jiān)測點如圖3所示。選擇NC01號測點處完成所有內(nèi)襯的實測值和數(shù)值模擬值結(jié)果進(jìn)行對比分析，兩者結(jié)果見表6。各個測點的應(yīng)力基本以受拉，內(nèi)襯的最大應(yīng)力為20.0MPa。計算的內(nèi)襯最大應(yīng)力值1.6MPa。

表6 內(nèi)襯NC01處測點應(yīng)力實測值和計算值

為了滿足地連墻開挖階段的受力要求，在地連墻內(nèi)側(cè)設(shè)置環(huán)形的剛性混凝土內(nèi)襯，內(nèi)襯作為地連墻的彈性支撐設(shè)置在地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)。內(nèi)襯的主要作用在于限制地下連續(xù)墻的變形，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，所以圓形超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)本身變形很小，所以內(nèi)襯由于地下連續(xù)墻的位移而產(chǎn)生的內(nèi)力并不占主導(dǎo)地位[12-13]。

5 結(jié)論

以楊泗港長江大橋漢陽側(cè)錨碇基坑開挖為研究對象，利用Midas GTS NX 對不同基坑開挖過程和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對超深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能和變形進(jìn)行了研究，得出了以下主要結(jié)論：

(1)土體及地下連續(xù)墻的最大位移隨著開挖深度的增大而增大，應(yīng)在后續(xù)施工中加強監(jiān)測并制定相應(yīng)措施控制變形發(fā)展；

(2)通過對基坑開挖的施工過程進(jìn)行檢測，準(zhǔn)確的掌握了基坑在各種工況下的內(nèi)力和位移，保證了在基坑安全的情況下順利施工，同時，通過現(xiàn)場監(jiān)測，還可以檢驗合計的合理性；

(3)在基坑底靠近地連墻根部的位置，最大拉應(yīng)力相對偏大，說明這個部位受力狀況比較復(fù)雜，建議開挖時應(yīng)注意增加支護(hù)結(jié)構(gòu)；

(4)數(shù)值模擬結(jié)果表明在施工階段為第12層開挖土，最大值為3.901MPa； 最大壓應(yīng)力為出現(xiàn)在第12層未加內(nèi)襯施工前的時候，最大值為5.082MPa。

(5)數(shù)值模擬分析結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，數(shù)值上也比較接近，表明理論分析時建立的分析模型合理、參數(shù)選取可靠。

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