基于FLAC 3D計算的黃埔區(qū)水質(zhì)凈化廠基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

葉宇潛

(廣州市黃埔區(qū)河涌管理所(廣州市黃埔水務(wù)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站)， 廣東 廣州 510000)

基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性尤為重要，重點(diǎn)在于研究工程環(huán)境對支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的影響特性，對提升支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計水平很有價值[1- 3]。目前，張利偉、羅才松、楊佳巖等通過對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系全過程運(yùn)營狀態(tài)開展現(xiàn)場監(jiān)測，從相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)中研究支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性變化，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計[4- 6]。預(yù)應(yīng)力錨索在支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)用較多，利用數(shù)值模擬手段可建立樁錨分析模型，計算樁錨與基坑變形之間的關(guān)系，進(jìn)而研究錨索在支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的重要作用[7- 9]。FLAC 3D在水利、建筑等行業(yè)應(yīng)用較廣泛，可計算不同工況或不同約束荷載下模型應(yīng)力或變形值，為定量分析模型的安全狀態(tài)提供計算手段[10- 11]。利用FLAC 3D平臺，根據(jù)工程具體狀態(tài)，研究了預(yù)應(yīng)力錨索在遭受損失時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化特征，進(jìn)而為基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計提供參考。

1 工程介紹

1.1 工程概況

黃埔區(qū)水質(zhì)凈化廠基坑現(xiàn)場最大標(biāo)高為39.2m，以東北側(cè)地形為最高，設(shè)計基坑為矩形平面，尺寸為110.6m×96.4m，開挖后坑底標(biāo)高為22m，樁頂標(biāo)高設(shè)計為32.6m；基坑四周無顯著構(gòu)造地質(zhì)帶，南側(cè)有水位較低的水塘，面積為0.27hm2，封閉式水生態(tài)系統(tǒng)，其他方向上無重要建筑或其他設(shè)施。從現(xiàn)場地質(zhì)踏勘得知，場地表面覆蓋有第四系粉質(zhì)黏土，土層厚度達(dá)2.6m，室內(nèi)測試黏聚力為18kPa，含水量較好，彈性模量比常規(guī)堆積土小；另外在下臥層還有砂質(zhì)黏土，含有粒徑為2～4mm的砂石，磨圓度較好，與黏土體相互膠結(jié)，承載力較好，滲透系數(shù)較大，無法穩(wěn)定形成水滲流作用；基巖層以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主，局部夾有破碎體，粗顆粒結(jié)構(gòu)，單軸抗壓試驗(yàn)測試強(qiáng)度高達(dá)60MPa，埋深位置位于18～35m處，現(xiàn)場取樣可知花崗巖體完整性較好，表面無顯著孔隙結(jié)構(gòu)，僅在局部存在夾層，夾層處易形成軟弱帶，宏觀破壞裂紋常由此擴(kuò)展貫通。該水質(zhì)凈化廠基坑工程以放坡形式開挖，預(yù)計開挖土方量為12萬m3，回填土方量為1萬m3，基坑主體按照二級設(shè)計，頂荷載設(shè)計為20kPa，局部易破碎地帶荷載設(shè)計為35kPa，按照二級場地進(jìn)行建設(shè)施工，基坑采用集水井方式降水，根據(jù)基坑樁基礎(chǔ)分布設(shè)計有23座集水井，以樁錨和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)為支護(hù)體系，確?；娱_挖以及施工過程的安全穩(wěn)定性，其中預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計長度約為480m，支撐梁鋼板總體積超過2000m3，鋼板截面形態(tài)為工字鋼，所采用的預(yù)應(yīng)力錨索錨固結(jié)構(gòu)傾角設(shè)計為15°，預(yù)加荷載270kN，錨固段長度為20m，對應(yīng)的支護(hù)樁長為16m，圖1為該基坑工作中一組典型預(yù)應(yīng)力錨索剖面圖。利用FLAC 3D仿真計算平臺，研究該水質(zhì)凈化廠基坑工作預(yù)應(yīng)力錨索與支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)系。

圖1 一組預(yù)應(yīng)力錨索剖面圖

1.2 模型建立及荷載約束

為簡化模型計算，假定基坑土體性質(zhì)均為各向同性，同時由于地下水位并未對基坑開挖產(chǎn)生顯著性影響，因而不考慮地下水對土體應(yīng)力變形影響。根據(jù)基坑中某一典型特征剖面基本形態(tài)，設(shè)計樁錨影響土體深度為基坑開挖深度的4倍[12]，故模型尺寸基本按照60m×35m進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用FLAC 3D設(shè)計基坑外尺寸為40m，樁、錨間距在模型中設(shè)置為25cm，整體模型所用單元網(wǎng)格尺寸為邊長30cm的正方形，共劃分出18582個單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)16526個，所建立的數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 基坑數(shù)值模型圖

由于采用預(yù)應(yīng)力錨索，因而需要考慮錨索預(yù)應(yīng)力荷載的施加過程，為保證預(yù)應(yīng)力的施加對支護(hù)架構(gòu)應(yīng)力變形不產(chǎn)生差異性影響，按照降溫法對預(yù)應(yīng)力錨索施加預(yù)應(yīng)力錨固力，按照式(1)計算等效溫差[13]：

(1)

式中，Δt—溫差，℃；F—預(yù)應(yīng)力，kN；η—膨脹系數(shù)；E—彈性模量；A—截面積，m2。

為保證溫差傳遞帶動預(yù)應(yīng)力錨固的效應(yīng)，設(shè)定一組上、下層錨索的膨脹系數(shù)分別為1.88×10-5、2.44×10-5，此即構(gòu)成上、下層預(yù)應(yīng)力錨索膨脹之間差異性。按照基坑開挖過程中的實(shí)際狀態(tài)，將與x向(水平)、y向(橫向)垂直的平面位移自由度均設(shè)定為0，施加位移約束，基坑頂部設(shè)計為自由平面，在上述工程資料及FLAC 3D仿真平臺計算下，研究上、下層預(yù)應(yīng)力錨索對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系影響特性。

2 錨索整體預(yù)應(yīng)力損失下支護(hù)結(jié)構(gòu)位移特征

在基坑實(shí)際支護(hù)過程中，常常由于支護(hù)結(jié)構(gòu)體系與開挖施工過程不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力損失，降低了錨索支護(hù)能力，因而針對實(shí)際狀態(tài)下的錨索預(yù)應(yīng)力損失對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響開展分析。根據(jù)上、下層預(yù)應(yīng)力錨索受損傷的情況，劃分為整體損失、上層損失但下層完好、下層損失但上層完好3種試驗(yàn)計算工況，并為了對比不同損失程度對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系影響，設(shè)定各個試驗(yàn)工況分別為初始張拉預(yù)應(yīng)力的10%、20%、30%、40% 4級損失方案，具體計算方案試驗(yàn)組見表1。

表1 試驗(yàn)方案組

預(yù)應(yīng)力錨索整體不同損失程度下基坑水平位移分布云圖如圖3所示。從圖中并結(jié)合錨索無預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)計算結(jié)果可知，上、下層錨索整體均無預(yù)應(yīng)力損失時，基坑土體最大水平位移為5.04mm，而錨索整體預(yù)應(yīng)力損失10%、20%、30%、40%時，最大水平位移相比前者分別增大了7.1%、14.7%、22.4%、30.2%，表明錨索整體預(yù)應(yīng)力損失愈大，基坑內(nèi)土體發(fā)生水平位移更為顯著。從各預(yù)應(yīng)力損失方案結(jié)果對比可看出，錨索整體損失10%預(yù)應(yīng)力時，錨索附近土體最大位移僅為5.4mm，表明初始預(yù)應(yīng)力損失10%，帶來了基坑最大水平位移7.1%的增長，而整體預(yù)應(yīng)力錨索損失20%時，錨索附近土體最大位移量相比預(yù)應(yīng)力損失10%時增大了7%，當(dāng)錨索損失了40%預(yù)應(yīng)力時，錨索附近最大位移量已達(dá)6.56mm，相比損失30%預(yù)應(yīng)力時增長了6.3%，表明當(dāng)錨索整體預(yù)應(yīng)力增大損失10%，則基坑最大水平位移平均增長6%～7%，預(yù)應(yīng)力錨索損失愈多，錨索對土體的加固性能降低愈多，極大程度上增加了基坑內(nèi)土體發(fā)生向外側(cè)滑移的趨勢。從預(yù)應(yīng)力錨索整體不同損失程度的基坑內(nèi)土體位移分布對比可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失較小時，坑內(nèi)未開挖的土體存在滑移面，而預(yù)應(yīng)力錨索所處位置即位于該區(qū)域，所有位移變化均在預(yù)應(yīng)力錨索附近發(fā)生，由此可知錨索承擔(dān)著基坑土體抗滑移的作用，穩(wěn)定土體。但錨索預(yù)應(yīng)力損失較大，當(dāng)達(dá)到40%時，基坑土體產(chǎn)生的剪切滑移面逐漸向基坑外縮小[14]，即錨索對土體剪切滑移面的發(fā)展控制能力大大降低。

圖3 錨索整體預(yù)應(yīng)力損失時水平位移分布云圖

錨索整體損失程度下不同試驗(yàn)方案基坑各深度處土體水平位移變化曲線如圖4所示。從圖中可看出，錨索整體無預(yù)應(yīng)力損失時，基坑內(nèi)土體水平位移隨深度增大而呈先增后減變化，最大水平位移位于樁體中部；當(dāng)錨索整體預(yù)應(yīng)力損失增大至20%后，各計算方案中土體水平位移隨深度增大，而均為減小態(tài)勢，即在預(yù)應(yīng)力損失時基坑土體位移以樁頂處為最大，錨索整體損失20%時，樁體中部水平位移為5.49mm，相比樁頂處降低了2.1%；對比預(yù)應(yīng)力不同損失程度下水平位移變化可知，當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失愈多時，相同深度的土體水平位移增大愈多，預(yù)應(yīng)力損失10%時在樁頂6m處水平位移為5.22mm，而預(yù)應(yīng)力損失20%、30%、40%時相同深度處水平位移相比前者分別增大了5.3%、10.9%、16.5%。由此可知，錨索整體預(yù)應(yīng)力損失增大時，樁體各深度的水平位移顯著增多，且滑移最大威脅面由完整錨索的樁體中間部位，轉(zhuǎn)移至整體錨索預(yù)應(yīng)力損失的樁頂處。

圖4 錨索整體預(yù)應(yīng)力損失時水平位移與深度關(guān)系

3 錨索單層預(yù)應(yīng)力損失時支護(hù)結(jié)構(gòu)位移特征

3.1 上層錨索預(yù)應(yīng)力損失

為研究單層預(yù)應(yīng)力損失對支護(hù)結(jié)構(gòu)位移特征影響，設(shè)定上層預(yù)應(yīng)力損失，但保持下層預(yù)應(yīng)力完好的計算方案，獲得不同預(yù)應(yīng)力損失方案下水平位移特征，如圖5所示。

從圖5位移分布特征可看出，上層預(yù)應(yīng)力損失10%時最大水平位移為5.29mm，相比完整錨索的最大水平位移增大了5%，剪切滑動面分布區(qū)域也稍有降低，當(dāng)上層預(yù)應(yīng)力損失20%、30%、40%時最大水平位移相比完整錨索分別增大了5.1%、10.2%、15.3%，相比整體錨索預(yù)應(yīng)力損失時最大水平位移增長幅度有所降低；當(dāng)上層錨索預(yù)應(yīng)力每損失10%時，基坑內(nèi)土體最大水平位移增長4%～5%；剪切滑動面分布范圍相比整體錨索損失時更靠近錨索，在上層錨索預(yù)應(yīng)力損失40%時剪切滑移面在錨索附近，即上、下層錨索仍具有一定錨固支撐性能。

圖5 上層錨索預(yù)應(yīng)力損失時水平位移分布云圖

上層預(yù)應(yīng)力錨索損失時水平位移變化特征如圖6所示。從圖中可看出，在上層錨索預(yù)應(yīng)力損失20%后，土體水平位移均為逐漸減小態(tài)勢，且樁體中部至樁體下部位移減小幅度顯著，在上層錨索預(yù)應(yīng)力損失20%時，樁頂至樁體中部水平位移降低了2.6%，而樁體中部至樁底，降低幅度達(dá)63.6%，且深度平均每增長1m，位移量值降低0.56mm。對比不同損失程度方案可知，與整體錨索預(yù)應(yīng)力損失特征一致，預(yù)應(yīng)力損失愈大，則水平位移愈大，但上層錨索預(yù)應(yīng)力各損失方案中位移差距幅度顯著低于錨索整體預(yù)應(yīng)力損失方案，上層錨索預(yù)應(yīng)力損失10%時，樁中部6m處水平位移為5.12mm，而預(yù)應(yīng)力損失20%、30%、40%時相同深度處水平位移相比前者分別增大了2.9%、5.9%、8.8%。

圖6 上層錨索預(yù)應(yīng)力損失時水平位移與深度關(guān)系

3.2 下層錨索預(yù)應(yīng)力損失

同理類似，計算獲得在下層錨索預(yù)應(yīng)力損失、上層錨索完好狀態(tài)的基坑土體位移變化特征，不同損失方案的基坑土體水平位移分布特征如圖7所示。從圖中亦可看出，剪切滑動面分布面積顯著減少，預(yù)應(yīng)力損失40%時的最大水平位移為5.64mm，相比錨索整體完好狀態(tài)增大了11.9%，當(dāng)下層錨索預(yù)應(yīng)力損失每增長10%時，最大水平位移平均增長幅度約2%，但預(yù)應(yīng)力損失10%時相比錨索完好狀態(tài)最大水平位移增大了5%，即在下層具有預(yù)應(yīng)力損失條件時，錨索再次遭受到預(yù)應(yīng)力損失后，最大水平位移減少幅度比初始預(yù)應(yīng)力損失10%時要低，表明預(yù)應(yīng)力錨索最大水平位移變化幅度總以完好錨索發(fā)生初始預(yù)應(yīng)力損失時為最大，另一方面最大水平位移每損失10%的增長幅度低于上層錨索預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)，表明上層錨索對于基坑土體水平位移影響敏感度高于下層錨索。

圖7 下層錨索預(yù)應(yīng)力損失時水平位移分布云圖

不同深度下各損失方案基坑土體水平位移變化曲線如圖8所示。從圖中可看出，預(yù)應(yīng)力損失愈大，基坑土體位移量值愈大，但各損失方案之間差距幅度相比上層錨索預(yù)應(yīng)力損失方案顯著要低，下層錨索預(yù)應(yīng)力損失10%時在樁中部6m處水平位移為5.14mm，而預(yù)應(yīng)力損失20%、30%、40%時相同深度處水平位移相比前者分別增大了3%、5.6%、7.8%。在具有預(yù)應(yīng)力損失后，基坑水平位移隨樁體深度先增后減，且以樁體中部為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力損失20%時，在樁中部至樁底時，深度平均每增長1m，水平位移減小0.55mm，相比上層錨索預(yù)應(yīng)力損失同樣方案，下層錨索預(yù)應(yīng)力損失時對基坑水平位移影響顯著減弱，由此表明，上、下層錨索中上層錨索承擔(dān)張拉錨固性能顯著，對土體約束作用較強(qiáng)，因而樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)注意對上層錨索預(yù)應(yīng)力的控制，確保其工作預(yù)應(yīng)力損失不致過大。

圖8 下層錨索預(yù)應(yīng)力損失時水平位移與深度關(guān)系

4 結(jié)論

(1)錨索整體預(yù)應(yīng)力增大損失10%，則最大位移平均增長6%～7%，錨索整體預(yù)應(yīng)力損失愈多，相同深度下的土體水平位移愈大，位移隨深度增大呈先增后減變化，最大位移面位于樁體中部。

(2)上層錨索預(yù)應(yīng)力每損失10%，最大位移平均增長4%～5%，樁體中部至樁底深度平均每增長1m，水平位移降低0.56mm；不同損失方案間位移差距相比錨索整體預(yù)應(yīng)力損失方案較小。

(3)下層錨索預(yù)應(yīng)力損失每增長10%時，最大水平位移平均增長幅度約2%，下層錨索預(yù)應(yīng)力損失狀態(tài)下后對基坑變形影響敏感度低于上層錨索；以樁體中部為中間節(jié)點(diǎn)，基坑水平位移隨樁體深度先增后減。