復雜巖土條件下豎井圍巖力學行為數值分析

代 昂 （武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430015）

0 前言

武漢市大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程主隧2#豎井原設計位置位于園林路與沙湖港交叉處東側100m，因原井位于現(xiàn)狀道路上，無法施工，現(xiàn)擬將井位向大里程方向移動。根據補勘結果，新井位下部存在18m厚淤泥質粉質黏土層，該土層強度低，設計擬在被動區(qū)對該土層進行加固處理以保證豎井支護結構安全。同時，豎井圍巖范圍內存在多層物理力學性質差異較大的復雜巖土分布，因此，為驗證設計方案的有效性，通過建立三維彈塑性有限元模型進行豎井開挖施工過程的模擬計算，可全面分析復雜巖土條件下豎井圍巖的力學行為，以便更好地指導豎井開挖安全施工[1-6]。

1 模型建立及參數確定

模擬使用大型巖土有限元分析軟件Midas-GTS進行，圖1(a)是2#豎井擬開挖土體三維彈塑性有限元模型，圖中選取水平地表為xy平面，z軸鉛直向上，x、y和z軸構成右手坐標系，計算模型尺寸大小為128×128×100m。圖中綠色箭頭顯示的是施工過程附加超載，附加超載等效均布荷載值為30kPa，作用于基坑開挖區(qū)外側，開挖區(qū)直徑12m。

根據地勘資料，巖土體地層共分成8層，土層從上而下依次為：（1-1）雜填土、（3-1）黏土、（3-3）淤泥質粉質黏土、（3-3a）粉質黏土、（15a-1）強風化泥質細粉砂巖、（15a-2）中風化泥質細粉砂巖、（15a-1）強風化泥質細粉砂巖，（15a-2）中風化泥質細粉砂巖，圖中用不同顏色顯示上述土層，因（3-3）淤泥質粉質黏土強度較低，土層較厚，方案擬在被動區(qū)對此土層進行加固處理，各巖土層的相關彈塑性力學計算參數見表1，分析中采用的計算參數主要根據設計圖紙文件、初勘報告、相關設計規(guī)范。取對稱剖面模型，豎井土體、樁和環(huán)梁相互作用模型示意見圖1（b）。

模型中用實體單元模擬彈塑性土體，從上到下用梁單元模擬環(huán)梁結構，用板單元模擬環(huán)向分布樁支護結構，共計24根1.6m直徑樁，按剛度等效的原則簡化為1.2943m厚地下連續(xù)墻進行計算。考慮模型的復雜性，模型使用以六面體為主的混合網格劃分，模型由101877個實體單元、3680個板單元，640個梁單元，共59439個節(jié)點，106197個單元構成。巖土體的彈塑性采用經典的Mohr-Coulomb本構。為精確模擬豎井周圍圍巖力學行為，這部分實體單元尺寸取1m，同時為控制模型求解規(guī)模，邊界部位巖土體實體單元尺寸控制在5m范圍內。

圖1 大東湖主隧2#豎井開挖三維有限元模型

2 相關計算工況

整個開挖過程的具體計算工況如下：

①加固軟土層，在巖土體自重作用下，初始地應力分布，位移計算結果清零；

②施工地下連續(xù)墻，在基坑外側施加施工附加超載30kPa；

③開挖至每1道支撐下1m，則該道支撐結構起作用，共8道；

計算參數 表1

④開挖至設計基底標高12.773m。

3 豎井開挖施工過程模擬

3.1 初始地應力

圖2 初始地應力

圖3 等效塑性應變

如圖2，豎向初始地應力沿豎向連續(xù)變化，在第8層土頂部位置(標高 -21m)，豎向地應力值達-0.843MPa。

3.2 巖土體等效塑性應變

由于模型的對稱性，取如圖3所示剖面實體，考察開挖過程中巖土體等效塑性應變分布變化情況，以便了解巖土體塑性破壞集中區(qū)和可能的破壞滑移面，更好地指導豎井開挖安全施工。

分析表明，在完成被動區(qū)加固和地連墻施工后，塑性區(qū)范圍和等效塑性應變大小沒有明顯的變化，塑性區(qū)主要分布于圓形豎井邊緣松動區(qū)。開挖施工過程中，最大等效塑性應變0.1245發(fā)生在支撐6起作用工況，出現(xiàn)在圓形豎井邊緣第2、3土層交界部位。由于下部幾層巖土體強度較高，基本未出現(xiàn)塑性區(qū)。開挖施工全過程中，塑性區(qū)主要分布于圓形豎井邊緣松動區(qū)并呈片狀，由于支護結構的阻擋，未形成連通的破壞滑面，豎井開挖施工過程安全。

3.3 樁體等效彎矩及剪力

如前所述，按剛度等效原則將樁體等效為連續(xù)板，圖4所示為相應施工工況樁體每延米等效彎矩分布云圖，圖中標出了各工況樁體最大等效彎矩。相關結果列于表2。圖5所示為相應施工工況樁體每延米等效剪力分布云圖，圖中標出了各工況樁體最大等效剪力。相關結果列于表2。

圖4 樁等效彎矩

圖5 樁等效剪力

3.4 環(huán)梁軸力

單樁最大彎矩、剪力及軸力 表2

圖6所示為相應施工工況環(huán)梁支撐截面軸力分布云圖，圖中標出了各工況各環(huán)梁支撐截面軸力大小。相關結果列于表2。

圖6 環(huán)梁軸力分布

從表2可以看出，相應環(huán)梁產生最大軸力的工況有延后現(xiàn)象，這也反映了各道環(huán)梁組成的結構系統(tǒng)按剛度分配側向主動土壓力的過程。

3.5 支護結構最大側向變形及坑底隆起變形

如圖7，開挖至設計基坑底標高時，樁頂最大水平側移30.83mm，基本滿足基坑支護結構水平變形控制標準要求。如圖8，開挖至設計基坑底標高時，基坑底隆起變形值約49.2mm。

圖7 樁頂水平側移

圖8 坑底隆起變形

4 結論

分析結果表明，開挖施工過程中，豎井支護結構系統(tǒng)單樁最大彎矩1753.51kN·m，最大剪力97.56kN，其中第8道環(huán)梁承受的軸力最大，最大軸力2125.77kN。開挖至設計基坑底標高時，基坑底隆起變形值約49.2mm；樁頂最大水平側移30.83mm，基本滿足基坑支護結構水平變形控制標準要求。開挖施工過程中，最大等效塑性應變0.1245發(fā)生在支撐6起作用的工況，出現(xiàn)在圓形豎井邊緣第2、3土層交界部位。由于下部幾層巖土體強度較高，基本未出現(xiàn)塑性區(qū)。開挖施工全過程中，塑性區(qū)主要分布于圓形豎井邊緣松動區(qū)并呈片狀，由于支護結構的阻擋，未形成連通的破壞滑面，因此，從豎井圍巖整體力學行為變化規(guī)律來看，在對淤泥質粉質黏土層進行被動區(qū)加固后豎井開挖施工過程相對安全。