錨碇地連墻及基坑開(kāi)挖施工階段數(shù)值模擬研究

張桂龍，譚永華

(天津市勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300110)

基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性對(duì)于工程建設(shè)具有重要意義。唐元俊以山東省濟(jì)南市某基坑支護(hù)工程為研究對(duì)象，采用數(shù)值分析方法對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了基坑整體變形與應(yīng)力、基坑側(cè)壁變形和地表沉降。李冕等對(duì)深中通道伶仃洋大橋東錨碇基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬及施工技術(shù)研究。李險(xiǎn)峰依托合肥市軌道交通5號(hào)線黃河路車(chē)站基坑工程,采用FLAC3D對(duì)其進(jìn)行三維建模并計(jì)算,模擬將土方堆放在基坑兩側(cè)的工況,研究樁體側(cè)向位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力等指標(biāo)的變化情況,分析堆載對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響幅度,并將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。倪建航以杭州錢(qián)江新城地鐵9號(hào)線五堡站—六堡站區(qū)間基坑工程為依托,利用FLAC 3D軟件模擬基坑開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程,對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中引起的圍巖變形和地表沉降過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。孫小力等為深入探究地鐵基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體的變形機(jī)理,對(duì)蘇州某地鐵車(chē)站基坑施工項(xiàng)目布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)并結(jié)合ABAQUS有限元軟件對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬。

綜上所述，目前已有不同關(guān)于基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性的相關(guān)分析，但由于不同工程地質(zhì)條件的不同導(dǎo)致不同基坑經(jīng)驗(yàn)難以很好的適配，鑒于此，采用FLAC3D軟件對(duì)通道工程錨碇地連墻及基坑開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分析加固支護(hù)措施的可靠性為今后類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

某過(guò)河通道基礎(chǔ)采用外徑72 m，壁厚1.5 m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2 m。基坑開(kāi)挖采用逆作法施工。為保證地連墻開(kāi)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)，地連墻頂部深入帽梁10 cm，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)1 m，懸出內(nèi)側(cè)1.5 m。帽梁總寬度4.0 m，高2.5 m。

內(nèi)襯及土體分層施工，基礎(chǔ)頂面以下0～7 m深度內(nèi)襯厚1.5 m，分層施工高度為(3+2+2) m；7～13 m深度內(nèi)襯厚2.0 m，分層施工高度為(3+3) m；13～22.5 m 深度內(nèi)襯厚2.5 m，分層施工高度為(3+3+3.5) m。內(nèi)襯施工層高取2 m、3 m和3.5 m。各層內(nèi)襯底面設(shè)置成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(zhǎng)度為14.451 m，上下層接頭錯(cuò)開(kāi)2 m，在一個(gè)單元長(zhǎng)度內(nèi)設(shè)置長(zhǎng)2.8 m的微膨脹混凝土后澆段。

2 錨碇開(kāi)挖施工有限元模型

2.1 幾何尺寸與網(wǎng)格劃分

模型計(jì)算范圍的確定對(duì)減少計(jì)算過(guò)程中的邊界效應(yīng)，提高計(jì)算精度有重要影響?？紤]邊界效應(yīng)影響范圍的情況下將模型尺寸定為：長(zhǎng)×寬×高=400 m×400 m×200 m。本次數(shù)值模擬中，主要關(guān)注區(qū)域?yàn)榛娱_(kāi)挖部分及周?chē)剡B墻與內(nèi)襯部分。根據(jù)需要將此處網(wǎng)格大小設(shè)置為2 m，模型邊緣處的網(wǎng)格大小為10 m，中間部分網(wǎng)格緩慢增大。完成網(wǎng)格控制之后，采用GTX NX自帶的混合網(wǎng)格生成器生成模型單元網(wǎng)格。模型單元網(wǎng)格均為六面體網(wǎng)格單元。如圖1所示為模型三維數(shù)值模型圖。

圖1 FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模型計(jì)算單元選擇

本次模擬中土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。而地下連續(xù)墻及內(nèi)襯由于其結(jié)構(gòu)尺寸較小，僅1.5～2.5 m，小于基坑開(kāi)挖直徑的5%，采用結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)單元相比于實(shí)體單元，有更多意義明確的參數(shù)，能夠很好的還原實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)與土體的相互作用，并且其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以直接獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)力。因此，本次模擬中采用結(jié)構(gòu)單元模擬地下連續(xù)墻及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)是合理的。在本次模擬中選用FLAC3D中內(nèi)置的liner單元進(jìn)行模擬。地連墻及內(nèi)襯的兩層liner單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。liner結(jié)構(gòu)單元是3節(jié)點(diǎn)(每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，3個(gè)移動(dòng)，3個(gè)旋轉(zhuǎn))扁平有限單元，它能夠抵抗剪力及彎矩荷載，其模擬的襯砌結(jié)構(gòu)由多個(gè)與土體單元相連的初襯構(gòu)件單元組成，它不但能夠承受主方向的拉壓應(yīng)力，而且能夠模擬結(jié)構(gòu)與土體之間的分離及隨后的重新接觸，另一方面，它能夠模擬結(jié)構(gòu)與土體之間的摩擦相互作用。單元模型圖如圖2所示。

圖2 單元模型圖

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

圖3 地下連續(xù)墻與內(nèi)襯的連結(jié)示意圖

2.3 地連墻liner單元與內(nèi)襯liner單元間連接

FLAC3D中結(jié)構(gòu)單元與結(jié)構(gòu)單元之間不會(huì)自行連結(jié)，需要通過(guò)結(jié)點(diǎn)設(shè)置單獨(dú)的link進(jìn)行連結(jié)。為了使兩個(gè)liner單元之間能傳遞內(nèi)力，模擬真實(shí)的地連墻與內(nèi)襯的受力情況。地下連續(xù)墻直接施作在土體的實(shí)體單元上，與實(shí)體單元默認(rèn)相連，再分次建立內(nèi)襯。刪除掉內(nèi)襯與土體之間默認(rèn)的連結(jié)，再通過(guò)建立link命令建立地下連續(xù)墻與內(nèi)襯之間的連結(jié)。考慮到地下連續(xù)墻與內(nèi)襯均為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，兩者之間密切接觸，故地下連續(xù)墻與內(nèi)襯采用剛性連結(jié)。圖3為地下連續(xù)墻與內(nèi)襯的連結(jié)示意圖(圖中黑點(diǎn)為link)。

2.4 材料參數(shù)

具體材料參數(shù)詳見(jiàn)表1。

2.5 邊界條件

如圖4，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，即模型邊界節(jié)點(diǎn)與外界沒(méi)有流體交換，邊界節(jié)點(diǎn)上的孔壓值可以自由變化。在基坑開(kāi)挖后的內(nèi)邊界上，固定節(jié)點(diǎn)孔壓為0，模擬基坑內(nèi)部的實(shí)際流體邊界狀態(tài)。在模型頂部施加20 kPa的面力，模擬地表的超載作用。

圖4 邊界條件

圖5 各個(gè)開(kāi)挖步驟中地連墻的位移/m

3 模擬結(jié)果分析

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)出增大的趨勢(shì)。其中土體最大位移值出現(xiàn)在基坑底部，在施加第八層內(nèi)

襯結(jié)構(gòu)時(shí)達(dá)到最大，其值為45.86 mm。地連墻位移也在施加第八層內(nèi)襯結(jié)構(gòu)時(shí)達(dá)到最大，其值為17.55 mm。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的位移呈現(xiàn)出明顯的分層特性，先施作的位移值較大，后施作的位移值較小。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的最大位移為16.72 mm。地下連續(xù)墻及其內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的位移均小于預(yù)警值。以地連墻為例，各個(gè)開(kāi)挖步驟中地連墻位移云圖如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用FLAC3D軟件對(duì)某工程北錨碇地連墻及基坑開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)隨著施工的進(jìn)行，土體、地連墻、內(nèi)襯的位移逐漸增大。其中土體最大位移值出現(xiàn)在基坑底部，在施加第八層內(nèi)襯結(jié)構(gòu)時(shí)達(dá)到最大，其值為45.86 mm。地連墻位移也在施加第八層內(nèi)襯結(jié)構(gòu)時(shí)達(dá)到最大，其值為17.55 mm。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的位移呈現(xiàn)出明顯的分層特性，先施作的位移值較大，后施作的位移值較小。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的最大位移為16.72 mm。地下連續(xù)墻及其內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的位移均小于預(yù)警值。證明本次加固措施及施工過(guò)程可行。