某深基坑開挖變形的數值模擬

李向群，劉 帥，李宗效

吉林建筑大學 測繪與勘察工程學院,長春 130118

0 引言

隨著改革步伐的深化，我國社會經濟的發(fā)展速度也發(fā)生質的變化,這使得許多外來人口將發(fā)展的目光投向大城市,城市人口數量在短時間內出現較大的增長趨勢,導致了城市土地需求量的快速增加.為了使土地資源得到最大化利用,建筑物朝著高度和地下空間這兩個方向的延伸.在人口處于飽和狀態(tài)的一二線城市,土地資源的利用正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn).國內建筑行業(yè)在上個世紀慢慢崛起,高層和超高層建筑如雨后春筍般地拔地而起,地下工程的層數也逐漸增加,深基坑工程也因此孕育而生.由此可見,基坑工程是一項繁瑣性與復雜性的工程項目,同時也是一項需要更深入研究來尋求突破工程技術難題的科研課題[1-3].

基坑工程在建筑施工中常被定義為臨時工程,其難點并不僅局限在合理的設計和有豐富的施工技術方面,而且很多時候會受到施工現場的地質條件、周圍環(huán)境和天氣情況等影響.當對基坑工程的支護結構進行設計時,不僅要考慮方案的合理性和施工的可行性,還要考慮其結構的安全性和低成本性,所以基坑工程是一項極具挑戰(zhàn)性、高風險性的巖土工程技術課題[4].

本文選用具有現實意義的基坑工程實例,研究基坑開挖時的變形情況.該基坑的支護方案采用的是排樁+內支撐的形式，利用有限元分析軟件MIDAS/GTS,根據其地質勘查報告提供的數據,查閱了本地區(qū)的相關地質資料,對基坑建模所用到土體參數進行合適的取值,然后進行模型網格的劃分和工況的定義,最后計算結果.利用基坑開挖數值模擬的結果,查看不同開挖深度其X水平方向和Z豎直方向的土體位移變化范圍和變化趨勢,總結其基坑變形的規(guī)律, 同時也對支護結構受力變形情況進行分析.通過對該基坑開挖變形的研究及與現場基坑監(jiān)測數據進行比較,檢驗該支護方案的合理性和數值模擬結果的正確性.

1 工程實例

1.1 工程概況

該工程項目位于某市繁華地段,處于兩條城市主要道路的交匯處的西南角位置,有兩層地下室.該工程基坑開挖深度約8 m.由于基坑的開挖深度大于5 m,所以此基坑屬于深基坑的范疇.基坑尺寸為45 m×40 m.基坑施工場地較為狹小,四周環(huán)境比較復雜,有地下管線,基坑西側臨近一個大型超市，北側臨近馬路，東側不遠處有幾棟居民樓，南側有正在施工修建的道路.在周圍環(huán)境和施工空間的約束下,基坑開挖極易對其周邊環(huán)境產生影響.參考該地區(qū)類似工程的經驗,該工程決定選用放坡+排樁+內支撐的結構支護方案.1 m的深度進行開挖放坡,腰梁的尺寸為800 mm×600 mm,冠梁的尺寸為800 mm×600 mm,800 mm×600 mm類型的內支撐的支護體系,共設置兩層鋼筋混凝土內支撐.

1.2 基坑設計主要地質參數

根據地質勘察報告,參考相鄰工程的基坑開挖實際資料，基坑開挖范圍內以雜填土、淤泥質粘土及粘土為主.針對基坑工程,部分土試樣做了直接剪切實驗(q)及三軸實驗(UU).基坑影響范圍內各土層的指標見表1.

表1 土層物理力學性質指標Table 1 Physical and mechanical properties of soil layers

1.3 水文地質條件

勘察場區(qū)上部地下水為第四系孔隙潛水—微承壓水.淺層地下水礦化度一般為小于2.0 g/L的微咸水,含水層巖性一般以粉細砂及粘性土為主,在水平方向上含水層多呈帶狀和透鏡體狀分布,在垂直方向上含水層與相對隔水層交錯分布,淺層地下水的主要來源是靠大氣降水進行補給,另外還接受少量的河流側滲補給，其排泄途徑主要為蒸發(fā)與開采,地下水動態(tài)類型為降水入滲蒸發(fā)型.

2 有限元模型的建立

2.1 模型建立

該基坑模型為不規(guī)則的多邊形,長邊45 m,短邊長40 m,基坑開挖深度為8 m,則在基坑對周圍土體影響范圍的選取上,通常是從基坑坑壁邊界向周圍擴大3倍的H(基坑開挖深度),作為影響區(qū)域的邊界,也即不能小于24 m.深度范圍最大取3倍的基坑深度,2倍的立柱深度.模型的計算尺寸為90 m×70 m×25 m.在建立模型時,網格的劃分至關重要,所以需要選擇合適的網格尺寸,最后才能計算出精確的結果.如果網格劃分尺寸過大,會導致計算精度下降,計算結果誤差較大.如果網格劃分尺寸過小,會造成最后結果不收斂,并且浪費大量的時間用于運算.該模型外部網格劃分尺寸為3 m,模型內部網格劃分尺寸為2 m,生成網格時選用混合網格生成器.基坑模型中各層土體采用Mohr-Coulomb模型,而混凝土采用彈性材料.在建模時,排樁運用等效剛度法,使其等效為0.6 m厚的地下連續(xù)墻.這樣做能有效改善模型接觸單元的缺陷,較好地反應法向和切向變形以及內力傳遞,且計算簡單、方便[5].基坑模型如圖1所示,支護結構如圖2所示.

圖1 基坑三維模型Fig.1 3D model of foundation pit

圖2 支護結構模型Fig.2 Supporting structure model

2.2 施工工況

建立模型時把基坑開挖分為6個施工步驟：

工況1 初始地應力分析;

工況2 放坡開挖至1 m處,進行圍護樁、冠梁和立柱的施工,并設置第一道鋼筋混凝土內支撐;

工況3 開挖至2 m處;

工況4 開挖至4 m處,進行腰梁施工,并設置第二道鋼筋混凝土內支撐;

工況5 開挖至6 m處;

工況6 開挖至8 m處(基坑坑地).

3 數值模擬結果分析

3.1 開挖水平位移結果分析

深基坑在開挖施工的過程中,基坑內外的土體由開挖之前的靜止土壓力狀態(tài)向被動土壓力和主動土壓力狀態(tài)上改變,導致了土體原來初始應力場的改變.在施工工況的模擬情況下,隨著基坑一步步開挖而產生的水平位移模擬出的結果如圖3～圖7所示.

根據圖3～圖7所示,隨著基坑開挖深度的增加,支護結構受到的土壓力值也隨之增大,導致出現基坑側壁土體向基內發(fā)生移動的現象.在水平方向,離基坑開挖面的距離與水平位移值的大小呈現出減函數關系.土體的水平位移值隨著離基坑開挖面距離的增大而逐漸減小.

圖3 第1步開挖水平位移Fig.3 Horizontal displacement of excavation in the first step

圖4 第2步開挖水平位移Fig.4 Horizontal displacement of excavation in the second step

圖5 第3步開挖水平位移Fig.5 Horizontal displacement of excavation in the third step

圖6 第4步開挖水平位移Fig.6 Horizontal displacement of excavation in the fourth step

圖7 第5步開挖水平位移Fig.7 Horizontal displacement of excavation in the fifth step

由圖3可以看出,當第一步開挖完成,進行圍護樁、冠梁和立柱的施工,并設置第一道鋼筋混凝土內支撐后,基坑側壁水平土體位移值均很小,最大位移量0.653 mm.基坑開挖初期,原有的土體發(fā)生了擾動,基坑的結構支護得到很快的完善,對基坑側壁土體的變形影響不是很大.從圖3～圖7可以看出,隨著開挖深度的逐漸加大,第二道內支撐施工逐漸完成,但基坑的水平位移依舊在逐漸加大,而各開挖步最大水平位移值均為未超過30 mm,滿足技術規(guī)范要求.由上述結果可知,基坑水平位移模擬結果相對準確.當深基坑工程在施工開挖時,基坑側壁水平位移的變化情況不能忽視,位移的變化值對基坑安全施工至關重要,加強基坑在開挖前期至開挖后期基坑頂部水平位移的綜合監(jiān)測強度,以避免安全事故的發(fā)生.

3.2 基坑豎向位移結果分析

基坑隨著施工工況的一步步進行,基坑內外土體的豎向位移情況也在發(fā)生改變.豎向位移具體變化狀況如圖8～圖12所示.圖中信息欄的負值代表土體的沉降量,正值代表土體的隆起量.

根據圖8～圖12每步開挖豎向位移圖的研究分析可知,基坑側壁邊緣地表面的沉降量隨著基坑的不斷開挖其值也不斷加大.基坑坑壁外側的地表出現沉降的現象,而基坑內的土體出現隆起的現象.基坑內上部土體隨著逐步的開挖,使施加的自重荷載不斷卸去,導致坑內的土體也慢慢出現回彈.另外，支護樁隨著基坑開挖的進行,土體的應力狀態(tài)發(fā)生改變,由此支護樁在水平和豎直方向有位移出現,這些原因也會造成基坑開挖區(qū)底部的土體出現回彈現象.

圖8 第1步開挖豎向位移Fig.8 Vertical displacement of excavation in step 1

圖9 第2步開挖豎向位移Fig.9 Vertical displacement of excavation in step 2

圖10 第3步開挖豎向位移Fig.10 Vertical displacement of excavation in step 3

圖11 第4步開挖豎向位移Fig.11 Vertical displacement of excavation in step 4

圖12 第5步開挖豎向位移Fig.12 Vertical displacement of excavation in step 5

從開挖完成后的豎向云圖12中可以得出,基坑內的最大隆起量不在坑壁的附近,而是在距離坑壁較遠的位置,基坑壁兩側土體的隆起量比較小，其原因是支護樁和噴射的混凝土面層這二者能對基坑壁土體的隆起起到抑制作用.坑外土體的沉降現象與坑內土的現象一樣,最大沉降量的位置不是在基坑側壁附近,而是在基坑壁外側的一定距離處.由開挖第2步到第5步的豎向位移圖可知,基坑隨著一步步的開挖,基坑側壁邊緣的沉降量也隨之增加,而每步開挖導致的最大沉降量均發(fā)生在距基坑側壁有限遠的位置處.由最后開挖完成的第5步豎向位移圖可知,地表的最大沉降量為4.4 mm，是開挖深度8 m的0.55 %,滿足規(guī)范要求,此基坑的結構設計方案合理可行.

4 結論

根據本文實際基坑工程的開挖模擬得出水平位移和豎直位移的范圍、變化規(guī)律等信息，可以得出以下結論:

(1) 在以后的基坑工程開挖施工中,考慮基坑的變形時要控制基坑每步的開挖深度,可起到減緩基坑變形量增大速率的作用.基坑圍護結構在設計過程中,若有軟土層位于在地下連續(xù)墻底部時，應加大地下連續(xù)墻的嵌固深度,這樣能對踢腳變形和坑內土體過大的隆起量的出現起到一定的抑制作用.

(2) 基坑在進行開挖時,坑內土體的荷載卸去,基坑內外側的應力平衡狀態(tài)被破壞,在支護結構上作用的荷載出現不平衡狀態(tài)時,會造成土體和支護結構發(fā)生變形.模擬基坑豎向位移過程中,基坑隨著深度的開挖,導致基坑坑壁地表的土體發(fā)生沉降,基坑開挖深度的增加,沉降量也隨之的加大.

(3) 在基坑開挖的過程中,基坑邊緣位置盡量避免有土方堆積現象的發(fā)生,如有堆積的現象發(fā)生時,要做到堆積量小、堆積時間短.在基坑進行每步的開挖時,要嚴控開挖的深度避免超挖與欠挖,各道支撐之間的距離應盡量相同，這樣能夠使圍護墻體水平位移的增長速率較小，從而保持內支撐良好的受力狀態(tài).