季凍區(qū)溫度變化對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響模擬分析

沈 琪，孫 超

吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的地下工程設(shè)施開(kāi)始興建,如鐵道、商場(chǎng)等大型地下結(jié)構(gòu),因此產(chǎn)生了大量的深基坑工程.凍土地區(qū)的深基坑建設(shè)更受到了高度重視,尤其在支擋式結(jié)構(gòu)物所受的水平凍脹力問(wèn)題上.近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)季凍區(qū)水平凍脹力進(jìn)行研究,并取得了很高的科研成果.王建州等[1]人采用物理模型試驗(yàn)方法,研究深基坑在凍結(jié)過(guò)程中凍脹力的變化,得出凍脹過(guò)程中和凍融后凍脹力的變化規(guī)律.王艷杰[2]采用有限元模擬軟件，通過(guò)改變土性、初始含水率及支護(hù)條件等因素分析水平凍脹力的變化特性,并結(jié)合理論公式的計(jì)算,兩者結(jié)果比對(duì)分析結(jié)構(gòu)受力情況.孫超等[3]人采用FLAC 3D數(shù)值模擬方法,分別模擬粉質(zhì)粘土,粘土在相同的負(fù)溫變化下,樁體水平凍脹力的大小和分布模式,并擬合出最大水平凍脹力與溫度,位移之間的關(guān)系式.閆綱麗等[4]人通過(guò)FLAC 3D軟件模擬與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比反映軟件的可靠性,并得出基坑中上部水平位移最大,到基坑角部位移值達(dá)到最小.本文采用FLAC 3D軟件[5-6]分析懸臂樁基坑支護(hù)在正負(fù)溫下所受水平凍脹力和樁后土壓力的分布情況,樁體在正負(fù)溫作用下的水平位移變化趨勢(shì).

1 FLAC 3D軟件6.0簡(jiǎn)介

FLAC 3D為有限差分軟件,與其它有限元軟件相比的優(yōu)點(diǎn):

(1) FLAC 3D采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù),相比其它采用“離散集成法”的有限元軟件,更精準(zhǔn)地模擬材料的塑性變化.

(2) 由于顯示法不形成剛度矩陣,能求解大范圍的三維問(wèn)題.

(3) 在模擬靜態(tài)系統(tǒng)時(shí)通過(guò)方程轉(zhuǎn)換求解,解決了模擬物理上的不穩(wěn)定過(guò)程數(shù)值問(wèn)題.

(4) 對(duì)于較復(fù)雜的模型建模,可在其它軟件上建模再導(dǎo)入FLAC 3D中進(jìn)行后續(xù)分析；也可以自己編寫(xiě)FISH語(yǔ)言,自定義變量或函數(shù)等方法來(lái)解決不同問(wèn)題.

(5) FLAC 3D采用增量法,即位移與應(yīng)力沒(méi)有直接關(guān)系,且隨時(shí)改變,材料屬性參數(shù)也可隨時(shí)改變而不影響當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài).

FLAC 3D軟件6.0與之前版本相比較有許多新特征:

(1) 操作界面有所更新,用戶(hù)可以在屏幕上的幫助文件快速搜索及瀏覽內(nèi)容,可重復(fù)瀏覽并復(fù)制示例,比之前更為直觀.也可按住組合鍵,激活內(nèi)聯(lián)幫助提醒可用的選項(xiàng),從而交互輸入命令.任何時(shí)候按激活鼠標(biāo)所在命令可在幫助文件中關(guān)聯(lián)參考,使操作更智能化.

(2) 新嵌入兩個(gè)模塊Building Blocks和Model Pane.Building Blocks支持從CAD或其他軟件導(dǎo)入的幾何面作為背景數(shù)據(jù),能捕捉面、線、點(diǎn)等進(jìn)行處理.Model Pane能對(duì)其單元體或其面進(jìn)行操作,使建模更多樣化、更加強(qiáng)大.

(3) 命令和語(yǔ)言腳本做了更改,使命令更明加明確,不與其它語(yǔ)言混淆.

(4) 新嵌入了6個(gè)本構(gòu)模型.除此之外,還可以自定義本構(gòu)模型求解.

(5) 結(jié)構(gòu)單元的創(chuàng)建更加容易,命令也特別有效,增加的許多選項(xiàng)使生成支護(hù)構(gòu)件更方便,且計(jì)算速度也大大提升.

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Computational model

2 模型創(chuàng)建

2.1 計(jì)算模型尺寸

本文基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為懸臂樁支護(hù),在模擬深基坑開(kāi)挖時(shí),基坑的幾何形狀,開(kāi)挖深度及土體參數(shù)對(duì)模擬具有一定的影響.通常情況下對(duì)模型豎向深度范圍與水平方向?qū)挾扔幸欢ㄒ?水平方向3.5倍左右開(kāi)挖寬度.本文基坑開(kāi)挖深度6 m,水平寬度16 m,x軸為水平向右方向,取40 m,沿基坑長(zhǎng)度方向?yàn)閥軸,取1 m,z軸垂直向上,取25 m,模型上邊界為地表,模型總尺寸為40 m×1 m×25 m.樁長(zhǎng)12 m,樁徑為1 m,嵌固深度6 m,計(jì)算模型見(jiàn)圖1.

2.2 確定參數(shù)及邊界條件

本文研究土體采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)參數(shù)引用單喜壘[7]室內(nèi)試驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得出土體在常溫下物理力學(xué)參數(shù),凍結(jié)下物理力學(xué)參數(shù)以及土體隨溫度變化參數(shù),土體熱力學(xué)參數(shù)按照《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》選取,見(jiàn)表2,將上述參數(shù)運(yùn)用到模擬中,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,從而對(duì)不同情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形等進(jìn)行分析.支護(hù)樁材料參數(shù)引用郭浩天[8]非飽和土三軸實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3.

表1 粉質(zhì)黏土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of silty clay

表2 粉質(zhì)黏土熱力學(xué)參數(shù)Table 2 Thermodynamic parameters of silty clay

表3 支護(hù)樁材料參數(shù)取值Table 3 Material parameters of supporting pile

位移邊界條件:計(jì)算模型中模型位移為零,需在模型周邊固定法向邊界,底面x,y,z這3個(gè)方向固定,只允許模型頂面邊界自由.

溫度邊界條件:模型前后,左右及底面設(shè)置為絕緣邊界,分別在地表,坑底,坑壁處施加-1 ℃,-5 ℃,-10 ℃,-15 ℃和-20 ℃,為使土體凍結(jié)穩(wěn)定,采取每種負(fù)溫作用下凍結(jié)兩個(gè)月.在上述溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上再分別在地表,坑底,坑壁處施加1 ℃,10 ℃,20 ℃,采取每種溫度作用2個(gè)月.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 初始應(yīng)力結(jié)果分析

由圖2可知,土體初始應(yīng)力沿深度呈層分布,模型底部自重應(yīng)力σzz=453.1 kPa,此值與初始應(yīng)力計(jì)算公式σzz=ρgz=1.85×10×25=462.5 kPa(z為土層深度)得出的值非常相近,證明模型建立的合理性.

圖2 初始應(yīng)力分布云圖Fig.2 Initial stress distribution nephogram

3.2 樁體水平凍脹力結(jié)果比較分析

凍結(jié)及凍融在不同溫度作用下,水平凍脹力及土壓力變化曲線如圖3,圖4所示.

圖3 凍結(jié)作用下水平凍脹力Fig.3 Horizontal frost heaving force under freezing action

圖4 凍融作用下樁后水平力Fig.4 Horizontal force behind pile under freeze-thawaction

由圖3可知,樁頂向下2 m范圍內(nèi),水平凍脹力隨深度的增加逐漸減小,在-1 ℃降到-10 ℃時(shí),凍結(jié)作用下水平凍脹力逐漸增大,隨著溫度繼續(xù)降低,其水平凍脹力逐漸減小;在-2 m到基坑底部,隨著溫度的降低,凍結(jié)土層逐漸變厚,凍結(jié)速率變快,水平凍脹力隨深度逐漸增加,并且隨著溫度的降低逐漸增大,其產(chǎn)生的最大峰值為37.25 kPa;在坑底到樁底位置處,水平凍脹力隨深度又逐漸減小.

由圖4可知,凍融作用后,土體溫度逐漸升高,凍結(jié)土體逐漸減少,樁側(cè)土壓力隨著溫度的升高也逐漸減小,最大樁側(cè)土壓力為71.31 kPa.在坑底以下部分,隨著深度增加土體受到凍融影響相對(duì)較小,故樁后土壓力值變化不明顯.

由圖3,圖4分析可知,季凍區(qū)水平凍脹力的影響不容小覷,地基選在干燥較平緩的地區(qū)或土凍脹較小的地上是很有必要的.

3.3 樁體水平位移結(jié)果比較分析

凍結(jié)及凍融在不同溫度作用下,樁后水平位移值曲線如圖5,圖6所示.

圖5 凍結(jié)作用下樁后水平位移Fig.5 Horizontal displacement behind pileunder freezing action

圖6 凍融作用下樁后水平位移Fig.6 Horizontal displacement behind pileunderfreeze-thaw action

由圖5可知,樁體在樁頂處的水平位移最大,由于土體隨溫度降低逐漸凍結(jié),樁后水平位移隨溫度的降低也逐漸增大,樁后水平位移最大值為0.147 m.

由圖6可知,凍融后溫度逐漸升高土體開(kāi)始融化,樁后水平位移隨溫度的升高逐漸減小,雖然溫度逐漸升高,但凍結(jié)對(duì)樁體位移存在一定影響,不可能恢復(fù)到原位置.

由圖5,圖6分析可知,在樁頂位移量很大,冬季施工可對(duì)地表采取過(guò)冬保溫措施,從而減少不必要的施工事故.

4 結(jié)論

本文運(yùn)用FLAC 3D數(shù)值模擬對(duì)季凍區(qū)不同溫度下基坑支護(hù)進(jìn)行模擬,采用室內(nèi)試驗(yàn)獲取的不同土體參數(shù),并對(duì)凍融過(guò)程中支護(hù)樁的水平位移、樁側(cè)水平凍脹力及土壓力等進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論.

(1) 土體分別在-1 ℃,-5 ℃,-10 ℃,-15 ℃和-20 ℃下凍結(jié)2個(gè)月,凍結(jié)溫度不同,隨著凍結(jié)溫度越低,深度逐漸增大.凍結(jié)后土體上再施加1 ℃,10 ℃,20 ℃作用2個(gè)月,融化后的土體變形對(duì)基坑支護(hù)有一定的影響.

(2) 凍結(jié)作用時(shí),土體隨溫度降低水平凍脹力越來(lái)越大,最大水平凍脹力在坑底附近處.隨著正溫的升高,土體逐漸融化,凍結(jié)土體逐漸減少,樁側(cè)土壓力隨著溫度的升高也逐漸減小.

(3) 樁體的水平位移在負(fù)溫下,樁頂位移最大,且隨溫度的降低位移越來(lái)越大,呈直線型;凍融作用后,土體融化,樁后水平位移隨溫度的升高逐漸減小.