深基坑開挖與支護(hù)的數(shù)值分析

于慎謙

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009)

深基坑開挖與支護(hù)的數(shù)值分析

于慎謙

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009)

以合肥水廠泵房深基坑工程為例,利用FLAC-3D數(shù)值分析軟件對(duì)深基坑開挖與支護(hù)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算中采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型,通過(guò)計(jì)算得到基坑邊坡位移變化,將實(shí)測(cè)基坑邊坡水平位移與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析,并對(duì)其進(jìn)行初步的探討,為以后的深基坑工程設(shè)計(jì)與施工提供有益的參考.

深基坑;FLAC-3D;數(shù)值分析;水平位移

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和地下空間的開發(fā)利用,我國(guó)的深基坑工程日益增多,這使得我國(guó)基坑工程在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等方面獲得了較快的發(fā)展也取得了一定的成就,但由于基坑工程是實(shí)踐性很強(qiáng)的巖土工程課題使得對(duì)基坑的穩(wěn)定性,支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形以及周圍地層的位移很難給出定量的結(jié)果.本文使用FLAC-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)合肥水廠泵房深基坑開挖與支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬,將實(shí)測(cè)基坑邊坡位移與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析,為以后的深基坑設(shè)計(jì)和施工提供有益參考[1,2].

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及規(guī)模

工程場(chǎng)地位于蒙城北路與合瓦路交叉口西南角,大房郢水庫(kù)之畔,場(chǎng)地原為苗木林、水稻田,地形呈西部低,東部高.地貌單元屬江淮丘陵,微地貌形態(tài)為崗地、斜坡地、坳溝及水塘,該場(chǎng)地地下水類型主要為上層滯水,勘探期間,測(cè)得鉆孔內(nèi)初見水位12.50～14.50 m.為了方便作業(yè)在開挖前用機(jī)械將場(chǎng)地整平.基坑為矩形長(zhǎng)約57.7 m寬約30.2 m,基坑深度由兩部分組成:東部深 10.75 m,西部深13.75 m

1.2 支護(hù)方案

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用旋挖鉆孔灌注樁:樁徑Ф 1000@1200,采用 C30混凝土灌注,樁頂用高為0.8 m的冠梁(C30)連接.基坑西部設(shè)置三排錨桿(基底標(biāo)高為15 m)錨桿長(zhǎng)度分別為18 m、16 m、12 m,錨桿傾角為15°,基坑?xùn)|部設(shè)置兩排錨桿(基底標(biāo)高為18 m)錨桿長(zhǎng)度分別為18 m、16 m,錨桿傾角為15°,每排錨桿通過(guò)腰梁與灌注樁連成一體.

2 數(shù)值模擬

2.1 土體模型及參數(shù)

土是一種極為復(fù)雜的復(fù)合體,具有復(fù)雜的力學(xué)行為.在外力的作用下,土體不僅產(chǎn)生彈性變形還會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形.本文運(yùn)用Mohr-Coulomb彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算[3].

Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則為

式中:σt為抗拉強(qiáng)度.

在屈服之后,土體的特性將是部分彈性和塑性的,在任一應(yīng)力增量過(guò)程中,其應(yīng)變有彈性分量和塑性分量?jī)刹糠纸M成,因此有:

彈性應(yīng)變分量比較容易求得,而為了導(dǎo)出塑性應(yīng)變分量和應(yīng)力增量之間的關(guān)系,必須對(duì)材料特性進(jìn)一步假定,特別是要假定塑性應(yīng)變分量與塑性函數(shù)Q有如下關(guān)系:

勢(shì)函數(shù)gt對(duì)應(yīng)于拉應(yīng)力破壞的相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則,其表達(dá)式為

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

在FLAC-3D中于體積模量K和剪切模量G比彈性模量E和泊松比u包含更多的材料基本特性,因此需要將彈性參數(shù)轉(zhuǎn)換為K和G,轉(zhuǎn)換關(guān)系如下[4]:

2.2 計(jì)算模型

由于基坑為矩形,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),為了計(jì)算方便在不影響模擬結(jié)果的前提下將模擬區(qū)域取為80 m×30 m×42 m,模擬部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1,本模型主要是為了考察基坑邊坡的位移變化情況,為了提高關(guān)鍵部位的計(jì)算精確度,同時(shí)也是為了減少總的單元數(shù)量,提高計(jì)算效率,對(duì)模型單元采用不等劃分,對(duì)開挖土體的周圍進(jìn)行加細(xì)劃分,其他則按一定比例放大劃分.錨索用Cable單元模擬,鉆孔灌注樁用Pile單元模擬.由于基坑開挖前采取了有效的降水措施,故本次模擬不考慮地下水的影響.模擬過(guò)程按實(shí)際開挖工況進(jìn)行,分為4個(gè)工況,第一個(gè)工況開挖至第一排錨桿下約75 cm處,第二個(gè)工況開完至第二排錨桿下約75 cm,第三個(gè)工況開挖至第三排錨桿下約75 cm,第四個(gè)工況開挖至基坑底部,這樣有利于進(jìn)行錨桿的施工,模型通過(guò)刪減土體單元和增加結(jié)構(gòu)單元來(lái)模擬開挖和支護(hù).

3 計(jì)算結(jié)果及分析

(1)圖2給出了x軸向的水平位移變化趨勢(shì),由計(jì)算結(jié)果可知基坑的最大水平位移為1.33 cm,而基坑頂部的最大水平位移為1.20 cm,基坑的最大水平位移并不是出現(xiàn)在坡頂而是出現(xiàn)在基坑的中上部,從圖2中還可以看出在同一鉛垂線上頂部最大水平位移和鉛垂方向上最大水平位移相差并不大.筆者認(rèn)為出現(xiàn)這種情況的原因主要在于進(jìn)行基坑支護(hù)時(shí)采用了不同長(zhǎng)度的錨桿,在上部采用較長(zhǎng)的錨桿能更充分地發(fā)揮其抗拉性從而有效地抑制了上部土體的變形.在下部采用錨桿的長(zhǎng)度僅為12 m比上部錨桿短了6 m,從實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果看此種設(shè)計(jì)既滿足了基坑邊坡的穩(wěn)定要求又有效地節(jié)約了支護(hù)成本.

(2)圖3給出了沿基坑邊 x方向水平位移的變化趨勢(shì),可以看出在基坑長(zhǎng)邊的中部變形最大,向基坑兩側(cè)逐漸減小,在基坑的拐角處變形最小,這一現(xiàn)象與許多失穩(wěn)基坑的實(shí)例相符即失穩(wěn)多在基坑的長(zhǎng)邊中部發(fā)生和發(fā)展,這說(shuō)明基坑支護(hù)具有明顯的空間效應(yīng).

圖3 基坑邊坡位移橫向變化

(3)從圖4中可以看出實(shí)測(cè)最大水平位移為1.3 cm在10號(hào)觀測(cè)點(diǎn),但此點(diǎn)并不位于基坑長(zhǎng)邊坡的中點(diǎn),造成位移過(guò)大的主要原因在于開挖時(shí)超挖,去除10號(hào)點(diǎn)后在實(shí)際測(cè)量中最大水平位移為1.1 m比計(jì)算值略小.圖4中各點(diǎn)的位移變化大致呈階梯狀,在開挖完成到施工錨桿完成的時(shí)間段內(nèi)位移變化最大,這一點(diǎn)與前人總結(jié)的工程經(jīng)驗(yàn)(開挖后應(yīng)及時(shí)支護(hù))相吻合,及時(shí)支護(hù)可以有效地減少基坑變形,增加支護(hù)的穩(wěn)定性.

圖4 實(shí)測(cè)基坑水平位移變化曲線

(4)根據(jù)相關(guān)資料可知此基坑安全等級(jí)為二級(jí),二級(jí)安全等級(jí)報(bào)警值為0.6%H[6]從實(shí)測(cè)值和模擬計(jì)算得到的結(jié)果看最大水平位移都小于圍護(hù)系統(tǒng)的報(bào)警值,這也說(shuō)明采用樁錨支護(hù)方案是安全可靠的.

4 結(jié) 論

(1)基坑開挖要考慮開挖過(guò)程的時(shí)空效應(yīng),基坑邊坡在水平方向上的變形與最大值相差不大但并不是最大值,最大值出現(xiàn)在基坑頂部以下,在設(shè)計(jì)和施工中可以適當(dāng)增加上部錨桿長(zhǎng)度以及在橫行向上適當(dāng)增加中部錨桿的布置密度.

(2)計(jì)算結(jié)果表明FLAC-3D能夠很好模擬基坑的開挖與支護(hù),它自帶的摩爾-庫(kù)倫彈性模型能夠很好地反映土的特性,所得結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好,其計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)和施工有一定的借鑒意義.

[1]龔曉南.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

[2]趙錫宏,李 蓓 ,楊國(guó)祥.大型超深基坑工程實(shí)踐與理論[M].人民交通出版社,2004.

[3]胡浩軍,王元漢.深基坑開挖與支護(hù)模擬仿真分析[J].巖土力學(xué) 2007,28:670-671.

[4]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC-3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].中國(guó)水利水電出版社,2009.

[5]Itasca Software Comp.Theory and Background Constitutive M odel:Theory and Implementation[P].User Manual of FLAC-3D 2.0,2002.

[6]姜晨光.基坑工程理論與實(shí)踐[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

Numerical Analysis of Foundation Excavation and Support

YU Shen-qian
(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Taking a pump room deep excavation in HeFei for example,the simulation of excavation and support is carried out by using the software FLAC-3D.The Mohr-Coulomb model is used in the simulation.This simulation offers the horizontal displacement of the pit.T he pit slope of the measured displacement is compared with the calculated value,which provides useful references for.The engineering design and construction of deep foundation pit.

foundation excavation;FLAC-3D;numerical analysis;horizontal displacement

TU470

A

1671-119X(2010)02-0068-03

2009-12-28

于慎謙(1980-),男,碩士,研究方向:基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu) .