基坑開挖引起的圍護結(jié)構(gòu)變形及土體沉降分析

1 有限元模型選擇

為了更好地研究基坑開挖引起的連續(xù)墻變形及基坑周邊地表沉降,結(jié)合杭州軟土質(zhì)地質(zhì)特點,通過Plaxis 8.2 二維有限元軟件對基坑的開挖行為進行模擬,土體本構(gòu)模型選用Plaxis Hardening Soil Model和Mohr-Coulomb 模型。由于剛度依賴于應力水平和應力路徑的Plaxis Hardening Soil Model 的土體模型,更加符合基坑開挖的實際情況和本文研究的模型。

為得到更加精確的計算結(jié)構(gòu), 忽略樁身尺寸效應,樁體采用梁單元離散,為了減小單元數(shù)量,土體采用高精度的15節(jié)點三角形單元離散,該單元提供4 階位移插值, 數(shù)值積分采用12個高斯應力點, 能夠?qū)Ρ疚哪Ｐ湍M對于實際情況有較為良好的計算結(jié)果。

2 模型的建立

該模型長60 m,高40 m,開挖部分寬度為40 m,最終開挖深度20 m,基本模型采用的圍護墻長度為30 m,共設(shè)4道內(nèi)支撐,內(nèi)支撐深度位置為0，-4，-8，-12，-16 m,由于對稱性,僅選取基坑的一半進行分析。

整個模型在模擬開挖過程中,其各自變量數(shù)值均不變,僅變化開挖深度,以此控制變量來研究基坑開挖對于圍護墻及土體沉降的影響。

3 開挖過程模擬

① 圍護結(jié)構(gòu)施工→②第一道內(nèi)支撐施工→③第一層土開挖,開挖深度為4 m,同時將基坑內(nèi)部水位降至地表以下4 m 深度處→④施加第二道內(nèi)支撐→⑤第二層土開挖,開挖至地表以下8 m 深度處,同時將基坑內(nèi)部水位降至地表以下8 m深度處→⑥施加第三道內(nèi)支撐→⑦第三層土開挖,開挖至地表以下12 m 深度處,同時將基坑內(nèi)部水位降至地表以下12 m深度處→⑧施加第四道內(nèi)支撐→⑨第四層土開挖,開挖至地表以下16 m深度處,同時將基坑內(nèi)部水位降至地表以下16 m深度處。模擬結(jié)束,其示意圖見圖1。

圖1 Plaxis 數(shù)值模擬模型示意圖

4 土體模型及各參數(shù)設(shè)置

根據(jù)Mohr-Coulomb 模型的破壞模式。輸入?yún)?shù)c、Φ、R。

為了更好地分析土體開挖過程中各參數(shù)對圍護結(jié)構(gòu)土體沉降的影響,本章數(shù)值模擬采用單一均質(zhì)土層,土質(zhì)參數(shù)見表1。連續(xù)墻特性見表2。橫向支撐特性見表3。

表1 土質(zhì)主要參數(shù)表

表2 連續(xù)墻材料參數(shù)

表3 橫向支撐材料特性

5 基坑開挖對圍護墻側(cè)移及受力影響

圖2 連續(xù)墻水平位移圖

圖3 連續(xù)墻彎矩圖

圖2為基坑開挖過程中,連續(xù)墻水平位移變化圖；圖3為連續(xù)墻彎矩值變化圖。

由圖可見,位移的變化基本呈現(xiàn)線性變化,當開挖深度為4，8，12，16 m時,在連續(xù)墻同一位置水平位移的最大值也是隨開挖深度的增加而增大,水平位移最大值分別為20,40,70,140 mm；而彎矩變化是呈雙曲線變化,當開挖深度為4，8，12，16 m時,最大彎矩值分別為200，500，870，1 100 kN·m/m,且最大彎矩出現(xiàn)的地方與開挖的深度位置基本保持一致。

6 基坑開挖時坑外地表沉降分析

截取AA′地表的垂直位移來研究基坑開挖過程中,在沒有坑內(nèi)外樁基的情況下,地表的沉降情況。見圖4。

圖4 坑外地表示意圖

圖5 坑外地表隨開挖的變化曲線

圖5橫坐標為距離基坑的位置,縱坐標表示坑外地表沉降深度,負值代表向下。從圖中可以看出,在不同開挖深度的情況下,沉降也隨之增加,在開挖深度為4，8，12，16 m時,沉降量最大值分別為7，12，21，75 mm,且隨著離基坑圍護墻越來越遠,地表沉降也越來越大,并在離基坑25 m左右處基本達到最大值,之后地表沉降減小。

7 結(jié) 語

1)通過巖土工程有限元軟件Plaxis 8.2, 對基坑分步開挖過程建立了二維模型,進行了數(shù)值模擬, 對基坑在不考慮內(nèi)外基樁,通過對問題的簡化,更清晰地分析了基坑開挖過程中對圍護墻側(cè)移及坑外地表垂直位移的情況。

2)通過數(shù)字模擬和理論分析[1-4],可以得到隨著開挖深度的增加,同一位置連續(xù)墻的水平位移和彎矩也相應增加,且最大彎矩出現(xiàn)的地方與開挖的深度位置基本在同一水平面。

3)隨著基坑開挖深度的增加,坑外地表沉降也增大；且同一開挖深度情況下,周圍地表塌陷的變化幅度均是先增大后減小的趨勢。

參 考 文 獻

[1] 李衛(wèi)明,汪偉民,雷明鋒,等. 長大深基坑圍護樁施工力學特性分析[J]. 公路工程,2009(3):97-101．

[2] 羅耀武,凌道盛,陳云敏,等. 環(huán)形超深基坑圍護結(jié)構(gòu)受力變形特性分析[J]. 巖土力學,2011(2):617-622．

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