基坑寬度對(duì)基坑開(kāi)挖效應(yīng)的影響

楊 山 奇

(新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830011)

1 概述

窄長(zhǎng)基坑在實(shí)際工程中以地鐵隧道等為工程背景廣泛存在，基坑開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)影響周?chē)慕ㄖ锛皹?gòu)筑物[1-3]，本文研究基坑開(kāi)挖寬度對(duì)基坑變形規(guī)律的影響。

FLAC3D三維快速拉格朗日差分程序在基坑工程數(shù)值模擬方面具有良好的適應(yīng)性，劉繼國(guó)等[4]用FLAC3D模擬深基坑開(kāi)挖與支護(hù)，劉勇等[5]用FLAC3D模擬深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，均表明了FLAC3D在工程實(shí)際中有良好的實(shí)用價(jià)值。

本文采用FLAC3D對(duì)三種土體的70個(gè)基坑進(jìn)行開(kāi)挖模擬，據(jù)此分析了基坑側(cè)壁的水平位移和坑底隆起位移的變化規(guī)律。

2 分析模型和分析方法

2.1 分析模型

計(jì)算中采用摩爾—庫(kù)侖彈塑性模型，采用FLAC3D軟件提供的RADBRICK塊體外圍漸變放射網(wǎng)格。為了減少(消除)邊界效應(yīng)的影響，邊界尺寸應(yīng)為基坑尺寸的2倍或更多，本文在基坑的X，Y，Z方向各延長(zhǎng)10 m。為使模型切合窄長(zhǎng)基坑的特點(diǎn)，當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度小于10 m時(shí)，基坑開(kāi)挖長(zhǎng)度為20 m；當(dāng)基坑開(kāi)挖寬度大于10 m時(shí)，基坑開(kāi)挖長(zhǎng)度選取40 m。

選取填土、粉質(zhì)粘土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖三種土體，土體的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體的主要參數(shù)

2.2 分析方法和方案

采用FLAC3D作為數(shù)值模擬程序。首先確立模擬窄長(zhǎng)基坑的尺寸大小，見(jiàn)表2。

表2 模擬基坑尺寸 m

選取基坑橫剖面，記錄基坑側(cè)壁頂點(diǎn)A、中點(diǎn)B、底點(diǎn)C的水平位移以及基底四分點(diǎn)D、基底中點(diǎn)E的隆起位移。由于基坑具有對(duì)稱(chēng)性，布置如圖1所示。

模擬70個(gè)不同尺寸、不同土體的基坑，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值，把模擬結(jié)果整理成表格的形式，并繪制成折線圖來(lái)分析規(guī)律。

選取寬深比(b/h)作為基坑開(kāi)挖寬度的量值，分別分析出開(kāi)挖深度為2 m，4 m，6 m時(shí)基坑側(cè)壁水平位移和基坑底部隆起位移值隨著寬深比增加的變化規(guī)律，并比較土體參數(shù)對(duì)開(kāi)挖效應(yīng)的影響。

3 結(jié)果分析

用FLAC3D模擬出各個(gè)基坑的開(kāi)挖效應(yīng)，分析開(kāi)挖效應(yīng)基坑側(cè)壁水平位移和基坑底部隆起位移的變化規(guī)律，圖2為水平位移云圖，圖3為豎直位移云圖。

由圖2可以看出，基坑側(cè)壁的水平位移呈對(duì)稱(chēng)分布，且位移大小從基坑側(cè)壁頂部到底部近似呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。由圖3可以看出，基坑底部的隆起位移也具有對(duì)稱(chēng)性，且隆起位移從基坑底部中點(diǎn)位置向基坑側(cè)壁呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。由于基坑位移的對(duì)稱(chēng)性，選取基坑中部橫剖面來(lái)研究基坑側(cè)壁水平位移和基坑底部隆起位移隨著基坑開(kāi)挖深度的變化規(guī)律。

記錄基坑側(cè)壁監(jiān)測(cè)點(diǎn)A，B，C的水平位移和基坑底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)D，E的隆起位移，整理出數(shù)據(jù)如表3～表5所示。

3.1 基坑側(cè)壁水平位移值隨b/h變化規(guī)律

由表3～表5整理出在基坑開(kāi)挖深度為h=2 m時(shí)基坑側(cè)壁水平位移值隨著寬深比(b/h)的變化規(guī)律。

表3 開(kāi)挖深度h=2 m時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值 mm

表4 開(kāi)挖深度h=4 m時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值 mm

表5 開(kāi)挖深度h=6 m時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值 mm

由圖4得隨著寬深比(b/h)的增加基坑側(cè)壁水平位移的值逐漸減小，并趨于穩(wěn)定。并且可以得出當(dāng)基坑寬深比(b/h)約為6時(shí)側(cè)壁水平位移最小，且隨著寬深比(b/h)的增加，基坑側(cè)壁的水平位移基本趨于穩(wěn)定。

3.2 基坑底部隆起位移值隨b/h變化規(guī)律

由表3～表5可以整理出基坑底部隆起位移值隨著b/h的變化規(guī)律。以h=4 m基坑底部隆起位移值為例來(lái)討論，見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出，隨著寬深比(b/h)的增加，基坑底部中點(diǎn)E的隆起位移逐漸增加，當(dāng)b/h約為5時(shí)，基坑底部中點(diǎn)隆起值趨于穩(wěn)定。并且基坑底部中點(diǎn)的隆起值為基坑隆起位移的最大值。

3.3 b/h恒定時(shí)土體材料變化對(duì)變形位移的影響

本文選取了填土、粉質(zhì)粘土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖三種土體作為研究對(duì)象。在基坑寬深比(b/h)恒定時(shí)，選用c/(γ·h·tanφ)作為土體的特征值，分析基坑側(cè)壁頂點(diǎn)的水平位移值和基坑底部中點(diǎn)隆起位移值與土質(zhì)的關(guān)系。

分析開(kāi)挖深度h=4 m時(shí)，基坑側(cè)壁頂點(diǎn)位移值和基坑底部中點(diǎn)隆起位移值隨著土體材料變化的規(guī)律。

由圖6得，h與b恒定時(shí)，土體參數(shù)c/(γ·h·tanφ)對(duì)基坑側(cè)壁頂點(diǎn)位移值的影響較大，并且可以推斷，相同開(kāi)挖條件下，土體c/(γ·tanφ)值越小，基坑側(cè)壁頂點(diǎn)位移值越大。

分析圖7得，相同開(kāi)挖條件下，三種土體的基坑底部中點(diǎn)位移值基本相同，由此推斷，基坑底部中點(diǎn)隆起位移值與基坑開(kāi)挖深度和寬度等開(kāi)挖條件有關(guān)，與土體參數(shù)情況關(guān)系不大。

4 結(jié)語(yǔ)

1)當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較淺(小于6 m)時(shí)，基坑側(cè)壁頂點(diǎn)水平位移值隨著基坑開(kāi)挖寬度的增加而增加，在基坑寬度為12 m時(shí)頂點(diǎn)水平位移值趨于穩(wěn)定，不再隨基坑寬度增加而增加。

2)基坑底部中點(diǎn)隆起位移值隨著寬深比(b/h)的增加而增加，當(dāng)寬深比約為5時(shí)基坑底部中點(diǎn)隆起位移值趨于穩(wěn)定，并且達(dá)到最大值。

3)開(kāi)挖深度與寬度等開(kāi)挖條件相同時(shí)，土體c/(γ·tanφ)值越小，基坑側(cè)壁頂點(diǎn)水平位移值越大。

4)基坑底部中點(diǎn)隆起位移值與開(kāi)挖寬度及深度等開(kāi)挖條件有關(guān)，與土體參數(shù)關(guān)系不大。