基于逆作法施工的基坑開挖變形特征有限元分析

陳志亮 董和平 陳曉

(1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；2蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

我國基坑工程的起步較國外略晚，但發(fā)展迅速。當(dāng)前，城市用地越來越緊張，為了充分利用土地不得不向地下空間拓展，所以基坑開挖深度不斷加深[1]。許多高層建筑的基坑開挖很深，如環(huán)球金融中心、上海中心等，據(jù)相關(guān)資料，國內(nèi)基坑的最大開挖深度已經(jīng)達(dá)到40m。合理地開發(fā)和使用地下空間是未來的必然趨勢，許多國家已經(jīng)開始朝著“地上-地面-地下”三個方向同時發(fā)展[2-3]。

隨著城市超高層建筑的發(fā)展，基坑工程也逐漸成熟。有些地方基坑的開挖存在空間上的局限性，對基坑工程要求越來越高的同時也出現(xiàn)了越來越多的問題，使得傳統(tǒng)技術(shù)下的基坑施工面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此新興的基坑技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[4-5]。逆作法是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新的深基坑支護(hù)與地下施工技術(shù)，伴隨著城市建筑從高空向地下拓展，公共交通朝多層次立體化發(fā)展而產(chǎn)生。與傳統(tǒng)的深基坑工程技術(shù)相比，逆作法具有明顯的優(yōu)勢，例如更環(huán)保、更節(jié)能、具有可持續(xù)性，同時它也克服了傳統(tǒng)基坑工程技術(shù)上的諸多缺陷，不僅在高層建筑的地下空間施工時有著顯著成效，而且更加經(jīng)濟(jì)，符合當(dāng)前節(jié)約型社會建設(shè)的大方向[6-7]。目前關(guān)于逆作法的研究主要以模擬與現(xiàn)場監(jiān)測為主，因此本文針對某工程實(shí)例，采用有限元軟件ABAQUS建立三維模型來模擬逆作法施工全過程，以此分析基坑的變形特征，為逆作法施工基坑工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測提供參考。

1 逆作法施工簡介

逆作法是在施工現(xiàn)場首先施工工程樁和支護(hù)結(jié)構(gòu)，然后開挖第一層土體，接著澆筑零層樓板和施工支承柱，也可以先進(jìn)行零層樓板的施工而不開挖，然后開挖土體，開挖到一定位置施工各層的樓板?？梢栽诘叵陆Y(jié)構(gòu)施工的同時施工地上結(jié)構(gòu)，也可以在地下結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后再施工地上結(jié)構(gòu)，施工前需要計(jì)算地上結(jié)構(gòu)施工花費(fèi)的時間和施工規(guī)模的大小。

如果地下室是多層的，通常的做法是采用“敞開式”施工工藝，這是一種傳統(tǒng)的施工方法，而逆作法與這種施工方法相對應(yīng)，被稱為“封閉式”施工方法。其施工過程如下：

1）在施工場地平整和清理后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行樁的定位，然后在施工場地進(jìn)行布樁的施工，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行立柱結(jié)構(gòu)的施工；

2）沿著擬建建筑物地下室的周邊軸線施工地下連續(xù)墻；

3）根據(jù)設(shè)計(jì)好的開挖深度開挖第一層土體，同時支模板澆筑第一層梁板，在支護(hù)樁的頂部加施冠梁，冠梁頂部澆混凝土梁，此梁即為基坑的第一道水平內(nèi)支撐；

4）第一層土體開挖完成后支模板澆筑地下第二層梁板，加施腰梁和混凝土支撐梁，混凝土支撐梁即為基坑的第二道水平內(nèi)支撐；

5）重復(fù)上述施工步驟，直至地下室結(jié)構(gòu)底板位置梁板的澆筑；

6）最后一步是澆筑立柱外包的混凝土，澆筑地下室結(jié)構(gòu)四周的圍護(hù)墻。

逆作法根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的施工時間可以分為全逆作法和半逆作法。全逆作法指地下結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)同時施工，半逆作法指地下結(jié)構(gòu)施工完成后再進(jìn)行地上結(jié)構(gòu)的施工。

2 有限元模型建立

2.1 模型及土體參數(shù)

本文采用有限元軟件ABAQUS建立基坑三維模型，對逆作法施工過程進(jìn)行模擬。本文選取常用的摩爾庫倫模型（M-C模型）作為土體本構(gòu)模型，土層參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告選取，土體物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2.2 基坑模型建立

建立模型時采用如下基本假定：

1）模型中各層土是均勻、各向同性的彈塑性體；

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻、支撐樁、內(nèi)支撐等）均為完全彈性體；

3）因?yàn)椴捎玫叵逻B續(xù)墻支護(hù)，能夠形成完整的止水帷幕，故在模擬過程中不考慮基坑降水，開挖過程中不存在滲流作用；

4）分層開挖為一次性開挖，不考慮基坑開挖的時間效應(yīng)。

計(jì)算模型大小根據(jù)基坑開挖深度來確定，基坑開挖深度為21m，寬度為21m，一般要求基坑模型尺寸為基坑開挖深度的3～5倍，故選取的模型尺寸為100m×60m×60m，開挖土體共分3層，每層開挖7m。模型部件包括4個部分，分別為土體、立柱、地下連續(xù)墻、梁板。各部件采用的單元類型依次是：土體采用實(shí)體單元，立柱采用梁單元，地下連續(xù)墻和梁板采用殼體單元。梁板位置位于0m、7m、14m、21m處，以此作為基坑開挖時的水平內(nèi)支撐。梁板的厚度為0.5m，地下連續(xù)墻的厚度為1m，埋置深度為30m，立柱埋置深度為45m，直徑為1.6m。各部件創(chuàng)建好后分別賦予材料屬性。立柱、地下連續(xù)墻、梁板的材料參數(shù)選取如表2所示。將各個部件進(jìn)行裝配，如圖1和圖2所示。裝配好后開始設(shè)置分析步和接觸，分析步如下：

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 土體結(jié)構(gòu)示意圖

1）創(chuàng)建地應(yīng)力平衡分析步，施加重力進(jìn)行地應(yīng)力平衡，同時在Model change中將所有的支護(hù)結(jié)構(gòu)“殺死”；

2）通過Model change“激活”地下連續(xù)墻和立柱，模擬地下連續(xù)墻和立柱施工完成后的情況；

3）“激活”第一層梁板，模擬第一層梁板施工完成；

4）“殺死”第一層開挖土體，模擬第一層土體開挖完成；

5）依次進(jìn)行后面梁板的“激活”與土體的“殺死”；

6）“激活”第四層梁板，模擬地下室底板封閉完成。

邊界條件的施加主要為限制模型邊緣X和Y兩個水平方向的位移，模型底部X、Y、Z三個方向的位移。見圖3。

圖3 邊界條件施加示意圖

模型網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格整體向著基坑開挖部分加密，基坑整體支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分示意圖

3 結(jié)果分析

3.1 位移結(jié)果分析

在自然狀態(tài)下，巖土體處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，場地內(nèi)開始施工后，打破了土體初始地應(yīng)力平衡，土體開挖時，基坑周邊的土體在不平衡土壓力作用下發(fā)生擠壓，產(chǎn)生一系列變形，從而引起周邊土體發(fā)生水平位移和豎向位移，與此同時，基坑坑底由于基坑內(nèi)土體開挖卸荷的作用，坑底土體由正常固結(jié)土變?yōu)槌探Y(jié)土，在卸荷作用和周邊不平衡土壓力差的擠壓作用下發(fā)生隆起變形。

通過數(shù)值模擬計(jì)算，基坑的整體變形見圖5～圖7。

圖5 開挖完成后水平X向位移云圖

圖6 開挖完成后水平Y(jié)向位移云圖

圖7 開挖完成后豎向位移云圖

3.1.1 坑底隆起變形

基坑分層開挖，坑底土體在分層開挖卸荷作用下產(chǎn)生坑底隆起變形，基坑分層開挖作用下土體隆起曲線如圖8。

圖8 分層開挖坑底隆起曲線圖

為研究基坑在支護(hù)條件下分層開挖引起的基坑坑底隆起變形特征，分別提取基坑坑底在分層開挖完成后坑底隆起變形值，繪制曲線圖8。從圖8可知，每一層土體開挖完成后都導(dǎo)致基坑坑底土體在開挖卸荷作用下產(chǎn)生豎直向上的彈性隆起變形，距離基坑中心的距離越近，坑底隆起值越大，這是由于基坑開挖邊緣土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸面之間存在摩擦作用，在基坑開挖邊緣位置土體的卸荷回彈變形受到摩阻力的影響，距離基坑邊緣越遠(yuǎn)影響越小，所以基坑坑底隆起值最大值位于基坑中心位置，由于基坑對稱可知坑底隆起曲線呈拋物線型。土體開挖初期，坑底隆起變形的性狀主要是彈性回彈變形，隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)外的不平衡土壓力逐漸增大，坑底逐漸出現(xiàn)塑性變形，土體的隆起變形值由彈性變形和塑性共同組成，隨著土層逐漸開挖完成，坑底隆起值逐漸增大，最大隆起值出現(xiàn)在第三層土體開挖完成后，最大值隆起為18mm。而且在坑底以下一定范圍內(nèi)的土體也會受到基坑開挖卸荷的影響，隨著距離坑底開挖面距離的增大，卸荷影響程度逐漸減弱。

3.1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

基坑開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)在坑內(nèi)外不平衡土壓力作用下產(chǎn)生水平位移，數(shù)值模擬計(jì)算得到的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與支護(hù)結(jié)構(gòu)深度的關(guān)系曲線圖如圖9所示。

圖9 地連墻水平變形曲線圖

由圖9可知，在土體開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻）在開挖引起的坑內(nèi)外不平衡土壓力作用下產(chǎn)生向臨空面的水平位移。支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移均呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢，隨著開挖深度的增加，減小的趨勢存在差異，即每一層土體開挖完成后導(dǎo)致的最大支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移不同，最大的水平位移出現(xiàn)在第三層土體開挖完成后，最大位移值約5.5mm。隨著開挖深度的增加，最大水平位移點(diǎn)也有所下移，位于支護(hù)結(jié)構(gòu)深度17.5m處，且位于基坑開挖面以上，最大水平位移點(diǎn)可近似認(rèn)為位于支護(hù)結(jié)構(gòu)深度的1/2處，這與已有資料的研究相一致。

3.1.3 地表沉降變形

基坑開挖過程中，距離基坑開挖邊緣的土體會由于坑內(nèi)土體開挖卸荷的原因產(chǎn)生豎向沉降，基坑外土體沉降曲線圖如圖10所示。

由圖10可知，基坑開挖后，基坑以外的土體會發(fā)生豎向沉降，沉降值先增大后減小，最后近似為零，沉降值整體呈勺形，隨著每層土體開挖完成后最大沉降值會有所移動，最大沉降值出現(xiàn)在基坑外5m左右。開挖第一、二、三層土體后最大沉降值依次為0.5mm，4.43mm，7mm，所以基坑地表的最大沉降位移為7mm。

圖10 基坑外土體沉降曲線圖

3.2 應(yīng)力結(jié)果分析

巖土體在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境作用下處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，基坑的開挖打破了土體初始應(yīng)力平衡狀態(tài)。通過數(shù)值模擬對基坑土體在開挖作用下豎向應(yīng)力進(jìn)行分析，豎向應(yīng)力云圖如圖11所示?；拥拈_挖會對基坑周圍一定范圍土體的豎向應(yīng)力產(chǎn)生影響，但由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，土體的豎向應(yīng)力未能完全釋放，應(yīng)力變化不是很大，對周圍環(huán)境的應(yīng)力場變化影響較小。而在基坑底部范圍內(nèi)，基坑底部開挖后未及時設(shè)置加固措施，導(dǎo)致坑底土體產(chǎn)生豎向卸荷作用，土體的應(yīng)力釋放量較大，在坑底以下基坑開挖深度的2～3倍范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力變化，對周圍環(huán)境的應(yīng)力場影響較大，最終導(dǎo)致坑底土體產(chǎn)生較大變形。

圖11 土體豎向應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1）基坑開挖導(dǎo)致的坑底隆起變形隨著開挖深度的增加而增大，坑底最大隆起值為18mm，位于基坑中心處。

2）支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中會產(chǎn)生水平位移，水平位移最大值位于基坑開挖面以上，且近似認(rèn)為位于支護(hù)結(jié)構(gòu)深度的1/2處，說明采用ABAQUS對基坑開挖過程的模擬是合理的。

3）隨著開挖深度的增加，地表沉降值均呈勺形，最大沉降位于支護(hù)結(jié)構(gòu)后5m左右，同時由曲線可知距離基坑3倍基坑長度范圍以外的地表沉降近似為零，可忽略基坑施工帶來的影響。

4）由上述可知，逆作法施工條件下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形均較小，說明逆作法施工給基坑整體帶來的影響比傳統(tǒng)方法要小。