深基坑開(kāi)挖變形三維數(shù)值分析

(甘肅建投土木工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

城市化進(jìn)程不斷加快，城市人口密度劇增[1]。由于城市建筑面積有限，地上可利用空間緊張，為了更大化利用城市建設(shè)空間，多層次立體化的建設(shè)方案能夠?qū)⒂邢薜耐馏w資源以最高效的方式利用起來(lái)，使建設(shè)土體資源得到充分利用[2]。城市地下空間的開(kāi)挖和利用以地下鐵道、商場(chǎng)及步行街為主，而這些工程的建設(shè)必然離不開(kāi)深基坑工程。

隨著中心城區(qū)建筑密度的不斷增加，在周邊環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜的城市中心進(jìn)行基坑工程，難免會(huì)對(duì)周邊已有建筑物和管線的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響[3-4]。為了減少基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，保證基坑自身以及周邊建筑物的安全運(yùn)營(yíng)，有效方法之一是在基坑開(kāi)挖前預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，提前采取相應(yīng)的加固措施，并在基坑施工過(guò)程中同步監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境的變形，對(duì)于變形出現(xiàn)激增的情況及時(shí)采取措施。有限元分析是預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖變形分析的一種高效手段，能夠根據(jù)不同的工程地質(zhì)情況和開(kāi)挖工況進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境中基坑的變形分析，確?；庸こ痰陌踩珷I(yíng)運(yùn)。

本文采用有限元數(shù)值分析軟件ABAQUS對(duì)已有工程進(jìn)行基坑開(kāi)挖變形分析，研究基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境的影響，并與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證采用ABAQUS進(jìn)行基坑變形分析的可靠性和合理性，對(duì)該地區(qū)同類(lèi)基坑的施工進(jìn)行理論指導(dǎo)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程地質(zhì)條件

本工程位于深圳市區(qū)，擬建場(chǎng)地地形平坦，基坑周邊緊鄰已有建筑物和城市道路，周邊環(huán)境復(fù)雜?；悠矫娌季殖什灰?guī)則的多邊形，支護(hù)周長(zhǎng)約173m，占地面積約1321m2，基坑開(kāi)挖深度10m，為了保證基坑周邊已有建筑物的安全，對(duì)基坑變形的控制有嚴(yán)格要求。

1.2 土層信息

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)埋藏地層的巖性自上而下依次為雜填土層、粉質(zhì)黏土層、含礫粘土、全風(fēng)化層、中風(fēng)化層等，基坑開(kāi)挖范圍的土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土以及含礫粘土，各土層具體土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基坑土體物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地下水概況

勘察期間，場(chǎng)地內(nèi)鉆孔均見(jiàn)有地下水，主要賦存于第四系沖洪積粗砂層中；場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要有孔隙潛水和基巖裂隙水兩種。測(cè)得其混合穩(wěn)定水位埋深為2.90～3.75m，相應(yīng)高程在6.98～8.23m。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，推測(cè)場(chǎng)地地下水水位年變幅1.00～2.00m。

1.4 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑周邊緊鄰已有建筑物和城市道路等，且基坑開(kāi)挖深度較大，破壞后果嚴(yán)重，基坑支護(hù)安全性等級(jí)為二級(jí)。應(yīng)在確保支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑周?chē)罔F、道路、樓房及地下管線安全的前提下，做到經(jīng)濟(jì)、合理，滿足國(guó)家建設(shè)工程的相關(guān)法規(guī)[5]和規(guī)范要求，施工可行、方便，盡量縮短工期，滿足土方開(kāi)挖、工程樁及地下室施工的技術(shù)要求。

根據(jù)上述要求，為了保證周邊建筑物的安全，選取地連墻加內(nèi)支撐的支護(hù)方式對(duì)該基坑進(jìn)行支護(hù)，依設(shè)計(jì)要求，基坑開(kāi)挖深度為10m，地連墻深度設(shè)計(jì)為15m，支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度為5m，基坑開(kāi)挖方式為分三層開(kāi)挖，設(shè)置兩道水平鋼筋混凝土支撐。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 三維有限元模型的建立

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)圖紙，該基坑長(zhǎng)66.5m，寬20.1m，基坑深度約10.28m。根據(jù)彈性力學(xué)圣維南原理與相關(guān)基坑研究[6]，基坑開(kāi)挖影響范圍約為3-5倍基坑開(kāi)挖深度。在條形基坑的分析中，由于其具有對(duì)稱(chēng)性，將其看作一個(gè)平板應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行分析，通常選取單位寬度的條形基坑進(jìn)行三維數(shù)值分析。在此假設(shè)基礎(chǔ)上，建立的模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=80×20×30（m），基坑開(kāi)挖深度為10m，土體的材料本構(gòu)模型為M-C模型，基坑開(kāi)挖分為三層，前兩層開(kāi)挖深度為3m，最后一層開(kāi)挖深度為4m，并在每次開(kāi)挖后及時(shí)設(shè)置支撐，共設(shè)置兩道支撐，各道支撐設(shè)置位移依次為距離地表深度1.5m、4.5m。地下連續(xù)墻高度15m，寬1m。建立的有限元計(jì)算模型、網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。在靠近基坑開(kāi)挖面和支護(hù)結(jié)構(gòu)位置處，為了提高分析效果，適當(dāng)將網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密，土體劃分單元數(shù)量為1689個(gè)。

圖1 基坑開(kāi)挖三維模型

模型中土體材料的力學(xué)參數(shù)的選取按照表1中的數(shù)據(jù)，地下連續(xù)墻的墻體和內(nèi)支撐材料均為混凝土，其主要物理力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)選用指標(biāo)

2.2 模型簡(jiǎn)化分析

由于實(shí)際施工步驟相對(duì)復(fù)雜，在施工隊(duì)伍及施工機(jī)械進(jìn)場(chǎng)后，首先應(yīng)對(duì)擬建場(chǎng)地進(jìn)行平整處理，施工止水帷幕，并設(shè)置降水井進(jìn)行坑內(nèi)降水，然后進(jìn)行逐步開(kāi)挖坑內(nèi)土層，并設(shè)置內(nèi)支撐。待第一層支撐達(dá)到強(qiáng)度要求后，進(jìn)行第二層土體的開(kāi)挖，依次設(shè)置第二排支撐，如此反復(fù)，直至最后一層土體開(kāi)挖結(jié)束。在數(shù)值模擬過(guò)程中，全面考慮所有的基坑施工步驟是極其困難的，容易導(dǎo)致模型的不收斂和計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，在模擬中將施工過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，只考慮其主要的施工工序，將模擬過(guò)程分為以下幾個(gè)分析步。

1）模型建立：創(chuàng)建土體、地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐模型，建立基坑開(kāi)挖分析步；

2）地應(yīng)力平衡：將模型中的地連墻、內(nèi)支撐隱藏，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡；

3）施作地下連續(xù)墻：地應(yīng)力平衡完成后，進(jìn)行地連墻施工，在模型中激活地下連續(xù)墻；

4）開(kāi)挖第一層土體：利用ABAQUS中的生死單元，開(kāi)挖第一層土體至-3m處；

5）設(shè)置第一排內(nèi)支撐：設(shè)置第一排內(nèi)支撐于-1.5m處；

6）開(kāi)挖第二層土體：在上一分析步的基礎(chǔ)上，開(kāi)挖第二層土體至-6m處；

7）設(shè)置第二排內(nèi)支撐：第二層土體開(kāi)挖完成后，及時(shí)設(shè)置第一排內(nèi)支撐于-4.5m處；

8）開(kāi)挖第三層土體：開(kāi)挖第三層土體至-10m處，基坑開(kāi)挖完成。

2.3 荷載、邊界條件

模型中不考慮除了土體重力荷載之外的其他荷載的影響，因此在基坑模型分析中只施加重力荷載。模型邊界的約束，考慮基坑開(kāi)挖影響范圍以外土體位移變化為0。在模型分析過(guò)程中，對(duì)其X方向上的外表面設(shè)置U1=0，對(duì)Y方向的外表面設(shè)置U2=0。模型底面固定U1、U2、U3三個(gè)方向的位移為0，同時(shí)限制地連墻的水平方向U1=0和底部三個(gè)方向的位移U1=U2=U3=0，如圖2。

圖2 模型邊界示意圖

2.4 樁土接觸面設(shè)定

支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間面面接觸，土體為主面，支護(hù)結(jié)構(gòu)為從屬面；土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間存在摩擦作用，摩擦特性為罰函數(shù)，摩擦系數(shù)為0.577，墻體與內(nèi)支撐之間為綁定（tie）約束，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)與墻體之間的協(xié)調(diào)變形。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 土體應(yīng)力場(chǎng)分析

基坑的開(kāi)挖，打破了土體的初始地應(yīng)力平衡，導(dǎo)致基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)土體的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化。在臨近基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土體出現(xiàn)明顯塑性區(qū)，隨著距基坑開(kāi)挖面距離的增加，土體應(yīng)力狀態(tài)受基坑開(kāi)挖的影響逐漸減小，且基坑周邊應(yīng)力狀態(tài)變化量的大小隨基坑開(kāi)挖深度的增加而增加，基坑開(kāi)挖后周邊土體的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3。

圖3 基坑開(kāi)挖周邊土體應(yīng)力云圖

由圖3可知，隨著基坑開(kāi)挖深度增加，周邊土體應(yīng)力狀態(tài)變化越明顯，根據(jù)基坑周邊土體應(yīng)力變化可知，基坑開(kāi)挖影響范圍約為2-3倍的基坑開(kāi)挖深度，且基坑開(kāi)挖面以下土體的應(yīng)力變化程度和范圍均大于基坑周邊土體的應(yīng)力變化，說(shuō)明開(kāi)挖后坑底土體的應(yīng)力釋放程度大于周邊土體。

3.2 坑底隆起變形分析

基坑開(kāi)挖后，坑底土體發(fā)生豎向應(yīng)力釋放，坑底土體在豎向卸荷作用以及基坑內(nèi)外土壓力差作用下發(fā)生豎向隆起變形，隆起變形為彈性變形與塑性變形共同作用的結(jié)果，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，坑底隆起變形增加，基坑開(kāi)挖后坑底土體隆起變形的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。

圖4 基坑開(kāi)挖周邊土體應(yīng)力云圖

由基坑開(kāi)挖后周邊土體的位移應(yīng)力云圖可知，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，坑底隆起變形逐漸增加，繪制坑底隆起變形量與基坑開(kāi)挖深度之間的關(guān)系圖，如圖5所示。由圖可知，坑底隆起變形呈拋物線特征[7]，即中間高、兩邊低，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，隆起變形量逐漸增加，最大坑底隆起變形為5.5cm。

圖5 不同開(kāi)挖工況下坑底隆起位移曲線

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

隨著基坑的開(kāi)挖，基坑內(nèi)外土壓力差逐漸增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)外土壓力差作用下發(fā)生向坑內(nèi)的水平變形，繪制支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形與基坑開(kāi)挖深度之間的關(guān)系圖，如圖6所示。由圖可知，在初次開(kāi)挖后，由于未設(shè)置支撐，支護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)懸臂梁變形特性，最大水平位移在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部，其值0.005cm，在設(shè)置內(nèi)支撐后，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)向內(nèi)鼓脹變形，最大水平變形由支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部逐漸向下位移，在第二次、第三次開(kāi)挖完成后，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移依次位于地表以下5m、8m處，最大水平位移值依次為18mm和36mm。

圖6 基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線

繪制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線圖，如圖7所示。由圖可知，采用ABAQUS得到的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的基坑水平變形趨勢(shì)基本相同，均為側(cè)向膨脹變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形位于地表開(kāi)挖面以上2m處，說(shuō)明采用ABAQUS有限元可以有效預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

圖7 監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線

圖8 地表沉降隨基坑開(kāi)挖深度變形曲線

3.4 地表沉降變形

開(kāi)挖后，由于坑內(nèi)土體損失，基坑外側(cè)土體發(fā)生向坑內(nèi)的水平位移，造成基坑周?chē)馏w損失，基坑周邊土體在自重作用下發(fā)生豎向沉降變形，繪制基坑周邊土體豎向沉降變形與基坑開(kāi)挖深度之間的關(guān)系如圖7所示。由圖可知，在基坑開(kāi)挖初期，移除坑內(nèi)第一層土體時(shí)，由于未及時(shí)設(shè)置第一排支撐，地表沉降表現(xiàn)為三角形分布特征，最大沉降值位于基坑邊緣，其值為1.2mm，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，基坑最大沉降值逐漸向遠(yuǎn)離基坑側(cè)壁的方向移動(dòng)，在第二步、第三步開(kāi)挖完成后，地表最大沉降變形依次位移墻后2.5m、5.5m處，最大豎向沉降變形值依次為12mm和60mm。

繪制地表沉降變形的監(jiān)測(cè)與實(shí)測(cè)沉降曲線圖，如圖9所示。實(shí)測(cè)沉降變形曲線與模擬沉降變形基本一致，與大多數(shù)內(nèi)撐式基坑變形模式一致，該基坑地表沉降變形同樣表現(xiàn)為“勺形”，最大沉降位置位于墻后5m處，約為基坑開(kāi)挖深度的1/3處。

圖9 地表沉降監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線

4 結(jié)論

1）基坑的開(kāi)挖引起坑底土體豎向卸荷，坑底土體發(fā)生隆起變形，最大隆起變形位于基坑中部；

2）基坑開(kāi)挖后，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑內(nèi)外不平衡土壓力作用下發(fā)生向坑內(nèi)的水平位移，隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，最大水平位移位置逐漸向下移動(dòng)，最終位于基坑開(kāi)挖面以上2m左右；

3）基坑開(kāi)挖引起的地表沉降與基坑支護(hù)形式有關(guān)，懸臂式基坑開(kāi)挖地表沉降呈三角形分布，內(nèi)撐式支護(hù)基坑地表沉降形態(tài)為“勺形”，最大沉降變形位于為墻后1/3H處；

4）采用ABAQUS軟件進(jìn)行基坑開(kāi)挖變形分析是一種很好的手段，在選用合理的支護(hù)形式的基礎(chǔ)上，數(shù)值模擬可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖引起的基坑變形，預(yù)測(cè)基坑變形趨勢(shì)。