軟土地區(qū)電纜溝通道開挖回彈變形特性研究

鈕佳偉，郭 銳，譚文韜，陸 超，唐智敏，周震海，程 炯

(1. 蘇州電力設(shè)計研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215000；2.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化水平的提高，對電力的需求大大增加，城市電網(wǎng)的建設(shè)得以快速發(fā)展，電纜溝通道工程越來越多。在軟土地區(qū)，由于土性差，電纜溝通道開挖后回彈隆起變形量大，可達(dá)幾十厘米[1-2]，進(jìn)而造成工后沉降過大，不滿足工程要求。因此，研究軟土地基上電纜溝通道工程的回彈變形特性很有必要。

開挖后電纜溝通道是一個基坑，目前關(guān)于軟土地區(qū)基坑開挖的回彈變形問題已有一些研究成果[3-17]。賀希英[3]，董桂紅等[4]以實際工程為背景，提出了研究基坑回彈的重要性。鄭剛等[5-7]根據(jù)大量的理論研究和實踐工程經(jīng)驗，總結(jié)了基坑開挖過程中土體回彈的變形機(jī)理，認(rèn)為坑底土體在卸荷作用、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的擠壓作用、工程樁的抗隆起作用、地下水的滲流作用等影響下，會產(chǎn)生較大的土體回彈隆起變形。滕延京等[8]和李建民等[9]結(jié)合工程實例，在固結(jié)壓縮試驗數(shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理改進(jìn)，將載荷試驗成果應(yīng)用于基坑開挖回彈變形與再壓縮沉降的計算，并驗證了該種方法的有效性。Lambe等[10-11]提出應(yīng)力路徑法適用于室內(nèi)土工試驗和現(xiàn)場勘測試驗，之后國內(nèi)外許多學(xué)者利用此方法定性研究坑底土體在卸荷后的應(yīng)力狀態(tài)，通過大量三軸試驗等方式研究各種土體的回彈變形規(guī)律。師曉權(quán)等[12]重點(diǎn)研究了回彈模量、基坑開挖空間和時間效應(yīng)對坑底回彈變形的影響，發(fā)現(xiàn)相同的開挖時間深度等條件下，坑底回彈變形量隨開挖寬度的增加而增長，但當(dāng)基坑開挖達(dá)到一定寬度后，回彈變形量不再增長，提出施工過程中應(yīng)該盡量減少基坑開挖時間和開挖完成后基坑暴露時間。吳昌將等[13]以上海軟土地區(qū)兩個典型類似的深大基坑為工程背景，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析，研究基坑采用順作法兩墻合一地下連續(xù)墻基坑的變形性狀以及對坑外建筑的影響。劉國彬等[14]指出基坑開挖時坑底回彈變形的兩個主要原因，并結(jié)合上海地區(qū)工程實例，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方式，研究了基坑開挖時間與空間效應(yīng)對坑底回彈變形的影響。陸培毅等[15]提出采用有限元模型分析的方法，模擬了基坑不同開挖和支護(hù)方式開挖引起的坑底回彈過程。

現(xiàn)有關(guān)于電纜溝通道基坑開挖施工的研究較少，大多集中于對綜合管廊施工方法的研究，而電纜溝通道的開挖深度和寬度較小，而長度較長，屬狹長型的基坑，這與一般的基坑工程有所區(qū)別[18-20]。本文將利用有限元軟件ABAQUS對電纜溝通道開挖的整個過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析地基土性質(zhì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度和基坑開挖兩側(cè)超載對坑底土回彈變形的影響。

1 模型建立與工況設(shè)定

電纜溝通道往往以千米計，因此可將其視為平面應(yīng)變問題，采用二維模型進(jìn)行模擬。土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，基坑兩邊的支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。土層參數(shù)參考江蘇蘇州《華為110 kV變電站進(jìn)線工程地質(zhì)鉆探報告》中地基土(軟土)的屬性，彈性模量為2.42 MPa，摩擦角為8°，黏聚力為5 kPa。支護(hù)結(jié)構(gòu)與橫向支撐結(jié)構(gòu)均簡化為彈性體，取彈性模量為25 GPa，泊松比為0.2。在之后的建模分析中，土層相關(guān)參數(shù)的選取是基于原有軟土的參數(shù)基礎(chǔ)上調(diào)整。參照《華為110 kV變電站進(jìn)線工程結(jié)構(gòu)設(shè)計圖》，取基坑開挖深度為4.3 m，在開挖0.5 m深度處設(shè)置一道支撐，開挖寬度4.4 m，超載作用在距開挖面左右5 m范圍內(nèi)，計算模型如圖1所示。應(yīng)用ABAQUS軟件建模時，在Part模塊中建立二維平面可變性的殼體單元作為土體結(jié)構(gòu)，土體邊界范圍取45 m×50 m；原支護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是直徑1 m的鉆孔灌注樁，間距為1.2 m，根據(jù)剛度等效原則，模型中采用寬度為0.78 m的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，水平為0.5 m×0.5 m的混凝土支撐。在Property模塊中，定義土層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)屬性。在Assemble中，將建立好的部件裝配在一起，同時在Interaction模塊中，定義接觸屬性，法向接觸采用“硬”接觸形式，切向接觸面之間的摩擦效應(yīng)采用“罰”函數(shù)進(jìn)行模擬。在Step模塊中設(shè)置模型計算分析步，第一分析步為地應(yīng)力分析步，用來平衡土體地應(yīng)力；第二分析步為靜力、通用分析步，實現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)上部土體的開挖模擬；第三分析步為靜力、通用分析步，實現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)的施工安裝模擬；第四分析步為靜力、通用分析步，實現(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)下部土體的開挖模擬。在Load模塊中施加超載，超載擬定取值參見表1。在Mesh模塊對模型劃分網(wǎng)格，劃分技術(shù)為四面體結(jié)構(gòu)，采用平面應(yīng)變類型，網(wǎng)格單元選取CPE4單元。完成建模，在Job模塊中建立工作并提交計算。

圖1 土體模型

為了探究電纜溝通道開挖坑底土體回彈變形的特性及其相關(guān)影響因素，本次采用控制變量的方法，著重研究土體的黏聚力、內(nèi)摩擦和彈性模量，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度和基坑開挖兩側(cè)超載對開挖后土體回彈變形的影響。具體工況設(shè)定如表1所示。

表1 計算工況

2 結(jié)果分析

電纜溝通道基底下若存在較深厚的軟弱土層，其在開挖完成后往往會產(chǎn)生較大的土體回彈，根據(jù)蘇州"華為110 kV變電站進(jìn)線工程"的現(xiàn)場開挖結(jié)果來看，由于基底下存在14.70 m厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，在開挖完成后產(chǎn)生的土體回彈量約為170 mm，依據(jù)工程實際工況建模分析得到的回彈量為196.3 mm，兩者比較接近，所以認(rèn)為采用數(shù)值模擬的方法探究開挖后電纜溝通道的回彈特性是可靠的。

根據(jù)上述工況中各種參數(shù)數(shù)值的設(shè)定，分別進(jìn)行建模分析，然后對數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，以此找出這些因素對基坑回彈變形的影響研究。

2.1 土體黏聚力對基坑回彈變形的影響

在探討土體黏聚力對基坑回彈變形的影響時，取定支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度為1倍開挖深度，并在土體材料賦予模塊，取定土體內(nèi)摩擦角為φ=5°，不斷改變黏聚力c的取值，在施加超載與不施加超載的情況下，分別建立模型計算電纜溝通道坑底土體回彈變形量，具體如表1中的工況1所示。圖2是有無超載情況下基坑回彈量隨土體黏聚力的變化曲線。從圖2中可以看出，電纜溝通道開挖后坑底土體的回彈變形量隨著土體黏聚力增大而逐漸減小，并且當(dāng)土體黏聚力較低(<10 kPa)時，基坑開挖后坑底土體的回彈變形會超過20 cm，且隨著黏聚力的減小，回彈量會大幅增大。當(dāng)土體黏聚力大于10 kPa時，坑底土體的回彈量隨黏聚力的變化趨勢趨于平緩。同時，比較圖2(a)和圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土體黏聚力較小時，坑底土體回彈量對有無超載十分敏感，可達(dá)米級的回彈量，但這僅僅是理論上的，實際上此時支護(hù)結(jié)構(gòu)已破壞；而當(dāng)土體黏聚力較大時，電纜溝通道開挖后坑底土體的回彈量會在超載的作用下略有增加。

圖2 基坑回彈量隨黏聚力變化曲線

圖3是黏聚力c=5 kPa，無超載工況下基坑開挖完成后的位移云圖，從圖中可以看出，坑中土體發(fā)生了顯著的回彈(結(jié)合圖2(a)可知最大回彈量約為57 cm)，并且支護(hù)結(jié)構(gòu)也有明顯的變形。因此，在土性很差的地區(qū)開挖電纜溝時，必須重視基坑的回彈變形問題。

2.2 土體內(nèi)摩擦角對基坑回彈變形的影響

在探討土體內(nèi)摩擦角對回彈變形的影響時，取定支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度為1倍開挖深度，并在土體材料賦予模塊，取定土體黏聚力為10 kPa，不斷改變內(nèi)摩擦角φ的取值，在施加超載與不施加超載的情況下，分別建立模型計算電纜溝通道坑底土體回彈變形量，具體如表1中的工況2所示。

圖3 土體豎向位移云圖(c=5 kPa, p=0 kPa)

圖4是基坑回彈量隨土體內(nèi)摩擦角的變化曲線。從圖4中可以看出，基坑開挖后坑底土體的回彈量隨土體內(nèi)摩擦角的增大逐漸減小，當(dāng)土的內(nèi)摩擦角達(dá)到15°之后，基坑回彈量基本不變了。當(dāng)土的內(nèi)摩擦角大于10°時，超載的存在對坑底回彈量影響不明顯；當(dāng)土的內(nèi)摩擦角小于10°時，超載對坑底回彈量的影響逐漸顯現(xiàn)。

圖4 基坑回彈量隨土體內(nèi)摩擦角的變化曲線

2.3 土體彈性模量對基坑回彈變形的影響

在探討土體彈性模量對回彈變形的影響時，取定支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度為1倍開挖深度，并在土體材料賦予模塊，取定土體內(nèi)摩擦角為φ=5°，黏聚力c=8 kPa，不斷改變彈性模量E的取值，在施加超載與不施加超載的情況下，分別建立模型計算基坑回彈變形量，具體如表1中的工況3所示。

圖5是基坑回彈量隨土體彈性模量的變化曲線。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，土體的彈性模量對基坑開挖后坑底土體的回彈量影響較大，特別是土體彈性模量較小的情況下(小于3 MPa)，坑底土體回彈量達(dá)到65 cm；隨著彈模的增大，坑底的回彈量逐漸減小，但趨勢逐漸變緩，即使當(dāng)土體彈性模量達(dá)到8 MPa，電纜溝通道基坑底部土體回彈量依然有8.26 cm，這同時也說明在軟土地區(qū)進(jìn)行基坑開挖時，應(yīng)當(dāng)格外注意基坑回彈問題。

圖5 基坑回彈量隨土體彈性模量的變化曲線

2.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度對基坑回彈變形的影響

在探討土體彈性模量對回彈變形的影響時，取定土體內(nèi)摩擦角為φ=5°，黏聚力c=10 kPa以及彈性模量E=4 MPa，并建立支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度分別為0.3H、0.6H、1.0H和1.5H的模型(H為基坑開挖深度)，并在施加超載與不施加超載的情況下，分別建立模型計算基坑回彈變形量，具體如表1中的工況4所示。圖6是支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度對基坑回彈變形量的影響曲線，圖7是當(dāng)嵌固深度為0.6H時的模型豎向位移云圖。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度對基坑回彈量的影響曲線

從圖6中可以看出，開挖后電纜溝通道坑底土體回彈量隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的增加而逐漸減小。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度小于1倍開挖深度時，支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的變化對開挖后坑底土體回彈量的影響較大，而當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度超過1倍開挖深度時，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的增大，回彈量會有所減小，但幅度不大。此外，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度小于1倍開挖深度時，有無超載作用對回彈量的影響較大；當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度大于1倍開挖深度時，有無超載對回彈量的影響不大。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度0.6H時的豎向位移云圖

2.5 超載對基坑回彈變形的影響

在探討超載對回彈變形的影響時，分為兩種工況進(jìn)行討論。一是取軟弱土層，即取土體內(nèi)摩擦角為φ=5°，黏聚力c=8 kPa以及彈性模量E=5 MPa；二是取土性較好的土層，即土體內(nèi)摩擦角為φ=10°，黏聚力c=10 kPa以及彈性模量E=7 MPa。并在支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度為1倍開挖深度的模型下分別建立模型計算基坑回彈變形量，具體如表1中的工況5所示。圖8描述的是超載對基坑回彈量的影響。根據(jù)圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著超載大小的不斷增大，不論土性好壞，開挖后的坑底回彈量都會隨著超載的增大而增大。在土性較差的情況下，回彈量的大小對超載十分敏感，尤其是當(dāng)電纜溝通道兩側(cè)超載較大時，坑底土體回彈量增加極其明顯，而土性較好時，回彈量受超載的影響不大，大致呈現(xiàn)出線性緩慢增加趨勢。

圖8 不同土性條件下基坑回彈量隨超載的變化曲線

3 結(jié) 論

通過對電纜溝通道工程的開挖模擬，分析了地基土性質(zhì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度和超載對基坑回彈量的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1) 坑底土的性質(zhì)對基坑回彈變形的影響很大，土的內(nèi)摩擦角、黏聚力和彈性模量越小，回彈變形量越大。因此，在軟土地區(qū)進(jìn)行電纜溝通道開挖時，應(yīng)當(dāng)采取一定的地基處理措施。

(2) 當(dāng)坑底土體性質(zhì)較差時，基坑回彈量隨著基坑周邊超載的增大而顯著增大。

(3) 當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度小于1倍基坑開挖深度時，增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度可明顯減小基坑的回彈變形量，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度超過1倍開挖深度后，支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度的對基坑回彈變形量的影響逐漸減小。