龍?zhí)哆^江通道北錨碇基坑開挖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

杜麗輝，王少卿

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112）

0 引言

過江通道的打通，為相鄰兩地的商貿(mào)往來帶來了巨大的便利，但隨之也導(dǎo)致了基坑開挖等土建工程難題。為此，許多研究人員對地連墻或基坑開挖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析[1-3]。吳坤銘[4]采用有限元法對拉錨地連墻支護(hù)深基坑進(jìn)行開挖過程的穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計。吳忠等[5]結(jié)合新溝河延伸拓浚工程，基于ABAQUS有限元軟件，評價扶壁間距對T形地下連續(xù)墻穩(wěn)定性的影響。肖安斌等[6]結(jié)合白洋長江公路大橋北岸錨碇深基坑邊坡工程實際，利用理論分析和FLAC3D有限差分法基本原理，得到了深基坑邊坡工程巖體動態(tài)變形及穩(wěn)定性演化規(guī)律。由于工程地質(zhì)條件不同，數(shù)值分析結(jié)果往往存在巨大差異，為此，本文采用FLAC3D軟件對龍?zhí)哆^江通道工程北錨碇地連墻及基坑開挖施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究不平衡荷載工況下不同施工步驟土體、地連墻、內(nèi)襯的位移以及地連墻與內(nèi)襯的內(nèi)力響應(yīng)情況，為同類工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 地理情況

儀征至祿口機(jī)場高速公路（儀祿高速）擬利用龍?zhí)哆^江通道規(guī)劃線位過江。通道位于長江南京段與鎮(zhèn)揚段分界處，距離上游南京長江四橋約16.8km，距離規(guī)劃七鄉(xiāng)河通道9.8km，距離下游潤揚大橋約28.6km。項目地理位置如圖1所示。

1.2 北錨碇基坑支護(hù)設(shè)計情況

北錨碇采用圓形基礎(chǔ)，圓形基礎(chǔ)外徑為75m，基礎(chǔ)埋深22m，持力層為弱膠結(jié)含礫砂巖，地連墻深33m，嵌固深度11m。基礎(chǔ)前側(cè)設(shè)置26個隔艙，高度11.5m?；A(chǔ)采用外徑72m，壁厚1.5m的圓形地連墻基礎(chǔ)加環(huán)向鋼筋混凝土內(nèi)襯支護(hù)結(jié)構(gòu)。為防止地下連續(xù)墻底腳發(fā)生滲流及踢腳破壞，有利于增加基坑的抗隆起穩(wěn)定性，地下連續(xù)墻嵌巖不少于2m?；娱_挖采用逆作法施工。為保證地連墻開挖階段受力及剛度的需要，在地下連續(xù)墻頂部設(shè)置剛度較大的帽梁。帽梁為鋼筋混凝土環(huán)形結(jié)構(gòu)，地連墻頂部伸入帽梁10cm，頂部豎向鋼筋全部伸入帽梁，與帽梁相連。帽梁懸出地連墻外側(cè)1m，懸出內(nèi)側(cè)1.5m。帽梁總寬度4.0m，高2.5m。內(nèi)襯及土體分層施工，基礎(chǔ)頂面以下0～7m深度內(nèi)襯厚1.5m，分層施工高度為（3+2+2）m；7～13m深度內(nèi)襯厚2.0m，分層施工高度為（3+3）m；13～22.5m深度內(nèi)襯厚2.5m，分層施工高度為（3+3+3.5）m。內(nèi)襯施工層高取2m、3m和3.5m。各層內(nèi)襯底面設(shè)置為11.3°的斜坡。

為防止內(nèi)襯施工出現(xiàn)裂紋及收縮變形，每層內(nèi)襯混凝土分15段進(jìn)行施工，每段澆筑長度為14.451m，上下層接頭錯開2m，在一個單元長度內(nèi)設(shè)置長2.8m的微膨脹混凝土后澆段。北錨碇地連墻基坑如圖2所示。

2 北錨碇開挖施工有限元模型

2.1 有限元模型建立

考慮邊界效應(yīng)影響范圍的情況下將模型尺寸長×寬×高為400m×400m×200m。根據(jù)需要將此處網(wǎng)格大小設(shè)置為2m，模型邊緣處的網(wǎng)格大小為10m，中間部分網(wǎng)格緩慢增大。模型單元網(wǎng)格均為六面體網(wǎng)格單元。如圖3所示為本次模型三維數(shù)值模型圖。本次模擬中土體采用實體單元進(jìn)行模擬。地下連續(xù)墻及內(nèi)襯采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。圖4為地下連續(xù)墻與內(nèi)襯的連接示意圖。

2.2 參數(shù)選取及邊界條件

各材料的物理力學(xué)參數(shù)主要依據(jù)巖土工程勘察報告，模型各項材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型左右邊界約束水平方向的位移，底部邊界約束豎向位移，地表為自然邊界，所有自由度均不約束，滲流邊界采用不透水邊界條件。在基坑開挖后的內(nèi)邊界上，固定節(jié)點孔壓為0，模擬基坑內(nèi)部的實際流體邊界狀態(tài)。在模型頂部施加20kPa的力，模擬地表的超載作用。基坑在開挖過程中，由于受到地層結(jié)構(gòu)、開挖順序和已有建筑等現(xiàn)場條件的影響，基坑兩側(cè)可能受到不同大小荷載的作用。根據(jù)設(shè)計資料，本次在地連墻一側(cè)25m范圍內(nèi)施加向下30kPa荷載作為不平衡荷載進(jìn)行計算。

表1 地層與支護(hù)結(jié)構(gòu)計算采用力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 北錨碇地連墻及基坑開挖位移影響分析

不同施工步驟土體及結(jié)構(gòu)最大位移趨勢曲線如圖5所示。

隨著施工的進(jìn)行，土體的位移、地連墻的位移以及混凝土內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的位移整體呈現(xiàn)增大趨勢。其中土體最大位移值出現(xiàn)在基坑底部。基坑開挖到第七層及第八層時，土體、地連墻及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力變化明顯。其中地連墻的最大彎矩出現(xiàn)在弱膠結(jié)含礫砂巖與中風(fēng)化砂巖交界位置處；地連墻軸力隨著深度的增大而增大，在底部達(dá)到最大；地連墻最大剪力也出現(xiàn)在地連墻底部，并且在弱膠結(jié)含礫砂巖與中風(fēng)化砂巖地層范圍內(nèi)變化較大。土體位移的最值一直出現(xiàn)在基坑底部，表現(xiàn)出隆起的趨勢。地連墻位移最大值出現(xiàn)在殘積土地層處?？紤]不平衡荷載時，基坑底部的隆起現(xiàn)象變化不大，但不平衡荷載作用的位置土體表現(xiàn)出更大的沉降，而地連墻另一側(cè)土體發(fā)生隆起。同時地連墻及其內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在偏載側(cè)的位移更大。

計算結(jié)果的最不利工況為：基坑開挖第七層及開挖第八層土；地連墻結(jié)構(gòu)的最不利位置為距地連墻頂端約4/5位置處，對應(yīng)地層為弱膠結(jié)含礫砂巖及中風(fēng)化砂巖交界位置，內(nèi)襯內(nèi)力最大位置出現(xiàn)在內(nèi)襯第六層范圍，內(nèi)襯第六層對應(yīng)地層為殘積土，物理力學(xué)性質(zhì)較差，施工到該步驟時，應(yīng)加強(qiáng)在該位置的監(jiān)控量測。

3.2 北錨碇地連墻及基坑開挖內(nèi)力分析

不同施工步驟結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大值趨勢曲線如圖6所示。

由圖6可知，地連墻及內(nèi)襯的內(nèi)力值隨著施工的進(jìn)行而增大。第八層土開挖并施加內(nèi)襯后，各個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力達(dá)到最大值。其中，地連墻的最大彎矩出現(xiàn)在弱膠結(jié)含礫砂巖與中風(fēng)化砂巖交界位置處，其值為1 789.40kN·m；地連墻軸力隨著深度的增大而增大，在底部達(dá)到最大，其值為3 983.8kN；地連墻最大剪力也出現(xiàn)在地連墻底部，其最大值為672.60kN，并且在弱膠結(jié)含礫砂巖與中風(fēng)化砂巖地層范圍內(nèi)變化較大；內(nèi)襯的最大彎矩為91.37kN·m；內(nèi)襯的最大軸力為220.67kN；內(nèi)襯的最大剪力為63.56kN。內(nèi)襯內(nèi)力的最值出現(xiàn)在層與層的交界位置處。將內(nèi)襯內(nèi)力與地連墻內(nèi)力進(jìn)行對比，內(nèi)襯內(nèi)力的最大值分別為相應(yīng)地連墻內(nèi)力最大值的5.11%、5.41%、9.45%。不平衡荷載工況與普通工況相比，內(nèi)力大小及分布情況相差不大，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)的內(nèi)力較小，并未充分發(fā)揮其承載能力，更多的作用是作為結(jié)構(gòu)的安全儲備，增加結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。不平衡荷載對結(jié)構(gòu)偏壓側(cè)及非偏壓的內(nèi)力影響很小，并且隨著開挖深度的增加逐漸減少至可以忽略不計。

4 結(jié)論

本文采用FLAC3D軟件對龍?zhí)哆^江通道工程北錨碇地連墻及基坑開挖施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到的主要結(jié)論如下：

（1）隨著施工的進(jìn)行，土體、地連墻、內(nèi)襯的位移逐漸增大。土體最大位移值出現(xiàn)在基坑底部，基坑出現(xiàn)較為明顯的隆起現(xiàn)象。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)明顯小于地連墻。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)的內(nèi)力較小，并未充分發(fā)揮其承載能力，更多的作用是作為結(jié)構(gòu)的安全儲備，增加結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。

（2）計算結(jié)果的最不利工況為基坑開挖第七層及開挖第八層土；地連墻結(jié)構(gòu)的最不利位置為距地連墻頂端約4/5位置處，對應(yīng)地層為弱膠結(jié)含礫砂巖及中風(fēng)化砂巖交界位置，內(nèi)襯內(nèi)力最大位置出現(xiàn)在內(nèi)襯第六層范圍，內(nèi)襯第六層對應(yīng)地層為殘積土，物理力學(xué)性質(zhì)較差，施工到該步驟時，應(yīng)加強(qiáng)在該位置的監(jiān)控量測。