瑞豐大酒店停車庫基坑變形數值模擬

徐沛 XU Pei

（皖新文化產業(yè)投資（集團）有限公司，合肥 230000）

1 工程概況

1.1 基坑周邊環(huán)境情況

基坑東側距支護結構外邊線約1.5m～7.5m為現狀河道（水位標高2.8m，河床標高0.8m）。基坑南側為塘河北路，距支護結構外邊線約2m為高壓配電柜，約8m為200給水管（埋深1.0m），約10m為用地紅線?；游鱾葹榘碴柭罚胁烤嘀ёo結構外邊線約2.7m為用地紅線，約2.2m為380伏電力電纜?；颖眰葹楣珗@綠地，距基坑支護結構外邊線＞5m為施工堆場。周邊環(huán)境現狀詳見圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

1.2 工程地質條件

根據巖土工程勘察報告，基坑開挖深度影響范圍內的土層自地面往下分別為：①雜填土：全場均有分布，層厚1.3～3.80m；①粘土：各孔均有分布，層厚0.9～1.80m；②1淤泥：全場均有分布，厚度11.50～14.10m；②2淤泥：全場均有分布，厚度6.90～13.00m；③2粘土：全場均有分布，厚度6.80～13.90m。各土層的物理力學指標見表1。

表1 土層物理力學性質指標

勘察期間觀測得潛水穩(wěn)定水位埋深為1.60～2.00m，初見水位埋深略低于穩(wěn)定水位，地下水水位最大變幅為0.50～1.00m。

1.3 基坑圍護結構概況

綜合開挖深度、地質條件和周邊環(huán)境情況，本工程采用鉆孔灌注樁（900@1200，樁長29m）加三道混凝土內支撐（700×800）的支護形式。具體的維護結構布置如圖2所示。

圖2 圍護結構布置圖

具體每次開挖深度和支撐埋深如表2所示。

表2 基坑開挖深度一覽表

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

本文在計算時采用如下幾個基本假定[1-3]：

①基坑開挖一般屬臨時性工程，工期較短，故按不排水條件進行總應力分析；

②土體彈塑性本構關系采用M-C彈塑性模型；

③基坑開挖以前鉆孔灌注樁施工引起的土體原始應力的改變不予考慮，土體的初始應力假定為靜止土壓力。

2.2 計算范圍及網格劃分

考慮到基坑的深度及開挖影響范圍，本文在模擬時，選取模型尺寸為：高50m，長500m，寬100m。

根據勘察報告，在模擬時土體分為5層，土體采用三維八節(jié)點實體減縮積分單元（C3D8R）來模擬，鋼筋混凝土支撐、鉆孔灌注樁也采用相同的單元來模擬。土體的單元尺寸為3m，樁體及支撐的單元尺寸均采用1m。整個模型的網格劃分見圖3所示。

圖3 網格劃分圖

2.3 樁與土的相互作用

本文通過設置樁與土的接觸面保證沿法向不發(fā)生相互嵌入和重疊現象，同時在接觸點對上滿足法向正壓力大小相等，方向相反，并采用庫侖摩擦定律來模擬樁與土的相互作用[4，5]。

法向力計算所采用的本構模型為[6]：

式中：P為接觸壓力，h為相對滑移，c為初始接觸間距，P0為特征接觸力當h=0時，P=P0。

當接觸面張開時，接觸壓力為0，隨著樁與土之間相互擠壓，接觸壓力逐漸增大，且呈指數級增長。采用這種本構模型，可以即模擬了鉆孔灌注樁與土體之間的非線性接觸，又提高了計算效率。

對于切向相互作用，采用庫倫摩擦定律來模擬，當接觸面處于靜摩擦范圍時，切向力 與剪應變 成正比，當接觸面滑動時，其中 為摩擦系數。

在ABAQUS中可以通過定義接觸面，并設置接觸面屬性來模擬樁與土的這種作用。在模擬時，將鉆孔灌注樁面定義為主動面，土體面為被動面[7，8]。

2.4 開挖過程模擬

本文采用多個荷載步來模擬基坑開挖過程，擬采用八個荷載步來模擬整個開挖過程。

第一步地應力平衡。目的是，通過該步驟建立開挖之前的初始應力狀態(tài)[9]。

第二步重新激活接觸面，移除土體單元到0.95m，實現第一次土體開挖模擬。

第三步激活第一層支撐單元，實現第一道支撐模擬。

第四步移除土體單元到5.15m，實現第二次土體開挖模擬。

第五步激活第二層支撐單元，實現第二道支撐模擬。

第六步移除土體單元到9.15m，實現第三次土體開挖模擬。

第七步激活第三層支撐單元，實現第三道支撐模擬。

第八步移除土體單元到11.45m，實現第四次土體開挖模擬。

3 基坑變形分析

3.1 鉆孔灌注樁側向水平位移分析

基坑在第一步開挖后的鉆孔灌注樁水平位移實測值和有限元計算值如圖4所示，從圖中可以看出：計算值與實測值變化規(guī)律相似，最大位移數值也想吃不大，這說明有限元模型建立的比較準確。從圖中可以看出，相對于實測值，有限元值更加光滑，這是由于實際施工現場所受外部影響因素更多，有限元計算結果與實際工程必然會有一點的偏差?？傮w來說，有限元結果基本能反應實際開挖過程，采用才模型進行此基坑模擬具有可行性。

圖4 第一步開挖后支護樁水平位移隨深度變化圖

圖5為不同開挖步時支護樁A水平位移隨深度變化圖，從中可以看出，水平位移增加速率均比較均勻，這是由于此基坑開挖都是開挖一段，支撐一段。當開挖深度為0.95m時，水平位移近似直線分布，最大水平位移位于樁頂處，為5.8mm，樁基處于懸臂狀態(tài)，隨著深度增大，側向水平位移逐漸減少，到25m處減少為0。當開挖深度為5.15m處時，水平位移由直線發(fā)展為上凸型，樁基最大位移為18mm，深度約為5.5m處。隨著開挖深度的增大，樁基的最大水平位移逐漸增大，但開挖深度為9.15m時，最大位移值為24.5mm，當開挖深度為11.45m時，最大位移值為34.9mm。同時，最大位移發(fā)生的深度也逐漸增大，開挖深度由9.15m增大到11.45m時，最大位移的深度由8.5m逐漸增大到10.5m處。與最大位移不同，樁頂位移增加幅度不大，說明樁頂支撐有足夠的剛度。

圖5 不同開挖步時支護樁A水平位移隨深度變化圖

3.2 樁頂側向水平位移分析

圖6為不同開挖步時圍護樁頂水平位移曲線，從圖中可以看出，有限元結果與實測結果相差不大，進一步說明了本文模擬結果的正確性。

圖6 不同開挖步時支護樁頂水平位移圖

當基坑開挖到0.95m，圍護樁頂出現了向基坑坑內的位移，數值為4mm。隨著施工的進行，樁頂的水平位移逐漸增大，第1～4施工步完成后，樁頂的位移分別為7mm、13mm、17mm、18mm，這些數值都比較小，滿足規(guī)范要求。

4 結論

①相對于實測值，有限元值更加光滑，這是由于實際施工現場所受外部影響因素更多，有限元計算結果與實際工程必然會有一點的偏差。

②當開挖深度為0.95m時，水平位移近似直線分布，最大水平位移位于樁頂處，為5.8mm，樁基處于懸臂狀態(tài)，隨著開挖深度的增大，樁基的最大水平位移逐漸增大，同時，最大位移發(fā)生的深度也逐漸增大。

②當基坑開挖到0.95m，圍護樁頂出現了向基坑坑內的位移，數值為4mm。隨著施工的進行，樁頂的水平位移逐漸增大，第1～4施工步完成后，樁頂的位移分別為7mm、13mm、17mm、18mm，這些數值都比較小，滿足規(guī)范要求。

④深基坑工程是一項投入較多的臨時性工程，其資金、工期投入都比較多，同時基坑工程風險性也很大，一旦工程失敗，可能造成惡劣后果，因此必須科學、嚴謹施工。信息化施工是一種科學、可行的方法，他不斷的根據基坑的開挖過程動態(tài)判斷基坑的安全性，可以確保基本本身及周邊建筑安全。