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)
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。
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。