太湖大道改造工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素分析

摘 要：支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形受多個(gè)因素的影響，結(jié)合江蘇無錫市太湖大道改造工程，使用ABAQUS軟件建模并對開挖過程進(jìn)行了二維有限元分析，通過系統(tǒng)的參數(shù)分析，研究了連續(xù)墻的剛度、連續(xù)墻的入土深度、水平支撐的豎向間距對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，提出了經(jīng)濟(jì)有效的變形控制對策。

關(guān)鍵詞：基坑變形 有限元 影響因素

中圖分類號：U44文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0129-02

基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素是其變形控制的重要內(nèi)容之一[1-2]，為了進(jìn)一步研究大型深基坑變形的影響因素，本文依托無錫市太湖大道改造工程的大型基坑，通過ABQUS軟件對基坑開挖過程進(jìn)行二維有限元數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的深基坑變形影響的幾個(gè)因素，這對深基坑工程變形控制理論研究和實(shí)踐應(yīng)用都具有重要的意義。

1 工程概況

本工程起點(diǎn)位于京杭大運(yùn)河金匱橋，往東橫穿太湖廣場，之后向東穿過清揚(yáng)路、通揚(yáng)路、古運(yùn)河、金塘橋、塘南路、興源路立交、京滬鐵路、城際鐵路、冷瀆港橋和長江北路，最后到達(dá)本工程終點(diǎn)廣南立交。隧道全線擬采用明挖法施工，除特殊位置外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本擬采用SMW工法。

基坑開挖順序：

（1）開挖土體至第一道支撐底，澆筑頂圈梁及第一道鋼筋混凝土支撐

（2）待頂圈梁及第一道混凝土支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開挖土體至第二道支撐底，固定鋼圍囹及架設(shè)鋼系桿，設(shè)置第二道鋼支撐，并對支撐預(yù)加軸力；

（3）開挖土體至第三道支撐底，固定鋼圍囹及架設(shè)鋼系桿，設(shè)置第三道鋼支撐，并對支撐預(yù)加軸力；

（4）開挖土體至坑底，澆筑素混凝土墊層；澆筑結(jié)構(gòu)底板，待結(jié)構(gòu)底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除第三道支撐；

（5）澆筑側(cè)墻、中板，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后，拆除第二道支撐；

（6）澆筑側(cè)墻、頂板，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可拆除第一道支撐。

2 有限元分析

2.1 基本假設(shè)

對實(shí)際工程問題進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析時(shí)，最優(yōu)的選擇是在精確性、可靠性和效率性中尋找平衡點(diǎn)，在抓住最主要的計(jì)算目標(biāo)的前提下，盡可能簡化。因此，一些對模型和參數(shù)等條件的假設(shè)的存在就具有必要性。

（1）為了方便賦予模型各部件材料屬性，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)假設(shè)為彈性體，土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體；

（2）開挖前，土體在自重狀態(tài)下正常固結(jié)，開挖以前不考慮土體原位應(yīng)力和形狀的改變；

（3）在整個(gè)施工進(jìn)程中土體的力學(xué)指標(biāo)沒有變化，且不考慮滲流影響。

2.2 參數(shù)選取及有限元模型

該基坑工程地基土的本構(gòu)模型的彈性部分采用線彈性模型，塑性部分采用Mohr-Coulomb模型。地基土成層沉積而成，呈層狀分布，各層土的性質(zhì)較均勻，且各層之間差異較大，因此可以將地基土近似看作由有限個(gè)體均勻各向同性的地基共同組成的層狀地基來處理，分層可以根據(jù)地基的天然分層情況來決定。由于現(xiàn)場工程地質(zhì)報(bào)告給出的通常是土體側(cè)限條件下的壓縮模量，在實(shí)際ABAQUS中采用的是材料的彈性模量，因此需根據(jù)土力學(xué)理論公式進(jìn)行土體材料彈性模量的換算[3]：

（1）本著有利于建模和計(jì)算的原則，SMW工法圍護(hù)結(jié)構(gòu)可按等效剛度原理轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻：

軸向剛度：（2）

彎曲剛度：（3）

式中：t為等效后墻體厚度，E、Eeq為等效前、后樁基的材料彈性模量，EA為軸向剛度，EI為彎曲剛度。

通過計(jì)算取墻厚度為0.8m。第一道支撐的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C30，第二三道支撐均為C35。關(guān)于泊松比ν的求取，可通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法，不過一般不易測得準(zhǔn)確。由于地基土的ν值常常都在0.3～0.4左右，變化范圍不大，所以在工程計(jì)算中往往憑經(jīng)驗(yàn)選取。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響因素分析

3.1 連續(xù)墻厚度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

連續(xù)墻的厚度是墻體設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，墻體的厚度決定了墻體的剛度，直接關(guān)系到水平位移大小。厚度太大，不利于發(fā)揮巖土體自有的自承能力，造成不必要的浪費(fèi)；連續(xù)墻厚度太小就會使基坑變形較大并影響到鄰近建筑物的安全。江蘇地區(qū)常用的地下連續(xù)墻厚度為0.6m、0.8m、1.0m，最大厚度為1.2m。因此，只對這4種厚度進(jìn)行研究，各計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)完全一樣，只是連續(xù)墻的厚度發(fā)生改變。

（圖1）為采用不同厚度的連續(xù)墻在開挖結(jié)束后基坑的最大變形。從圖中可以看出采用不同厚度的連續(xù)墻時(shí)，各變量隨深度變化的規(guī)律基本相同，即連續(xù)墻的水平變形為墻體頂端和底端位移較小中部變形較大，向基坑內(nèi)凸出，整體表現(xiàn)為弓形。從圖中還可以看出連續(xù)墻水平位移對于墻體厚度的變化比較敏感。隨著連續(xù)墻墻體厚度的增大，水平位移變化明顯。當(dāng)墻體從0.6m增加到1.2m時(shí)，墻體水平位移從13.03mm減小到8.12mm，可見增厚墻體能夠有效地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形。同時(shí)，墻體每次增厚的梯度為0.2m，但連續(xù)墻水平位移比率減小，而減小的速率逐漸變小。即當(dāng)墻體厚度較小時(shí)，增加單位厚度，位移減小顯著。但墻體厚度增大以后，這種因墻體厚度增加而減小的位移會越來越小。另外連續(xù)墻變形最大位移點(diǎn)位置變化范圍較小，始終在標(biāo)高3.0m附近。這種現(xiàn)象依舊可以將連續(xù)墻看作彈性地基梁，用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識來解釋：即當(dāng)梁的約束條件和受力條件沒有發(fā)生變化時(shí)，改變梁的剛度（即墻體厚度），可以改變梁的變形大小，但對梁的變形形式和極值位置沒有影響[4]。

由（表1）還可以更精確的看出連續(xù)墻體隨著厚度變化導(dǎo)致的變形變化。而且下表也反映了連續(xù)墻單位厚度對控制水平位移的貢獻(xiàn)值。這個(gè)值隨著墻體厚度的增大在不斷減小，當(dāng)連續(xù)墻體從0.6m增加到1.2m時(shí)，貢獻(xiàn)值從27.72mm/m減小到6.77mm/m。這種規(guī)律在經(jīng)濟(jì)學(xué)上稱為邊際效益遞減，即逐次增加單位資源的投入，帶來總收益的增加，但單位收益逐漸減小。邊際效益遞減規(guī)律還顯示資源的不斷投入使收益的增長速度不斷變慢，其最終趨于峰值。表1也充分反映了墻體厚度和墻體位移之間也遵從這樣的規(guī)律，墻體厚度從0.6～1.2m之間變化時(shí)，增大墻體厚度對于減小墻體水平位移始終有效，但對于墻體水平位移影響有著明顯的邊際效益遞減現(xiàn)象。由此可見，改變墻體的厚度實(shí)質(zhì)上是改變了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，這對于控制墻體的水平位移具有很好的效果（圖1、2）。

3.2 連續(xù)墻深度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)，很多事故就是因?yàn)閴w插入深度不夠，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)傾斜坍塌，它不僅涉及到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，還要考慮安全性。研究時(shí)各計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)與之前模型完全一樣，只是連續(xù)墻的深度發(fā)生改變。

從圖2中可以看到隨著圍護(hù)墻深度的增加，水平位移最大點(diǎn)以上的墻體變形變化比水平點(diǎn)以下的墻體位移變化明顯大一些，墻體底端的變化最為明顯。當(dāng)連續(xù)墻深度為0.5H時(shí)，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度太小，基坑內(nèi)的土體抗力不能支擋結(jié)構(gòu)變形時(shí)，墻體底端的變形就會急劇變大，也就形成了工程中所說的“踢腳”現(xiàn)象。圖中的“踢腳”現(xiàn)象十分明顯，包括當(dāng)連續(xù)墻深度為H時(shí)，連續(xù)墻的底部都有一定的“踢腳”現(xiàn)象。另外，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度太小（如0.5H），連續(xù)墻在開挖結(jié)束后的最大水平位移已經(jīng)超過了預(yù)警值，并且從圖中趨勢可以看出，連續(xù)墻下的土體變形將更大，所以圍護(hù)機(jī)構(gòu)深度小容易導(dǎo)致變形大，重則導(dǎo)致?lián)跬两Y(jié)構(gòu)破壞、基坑失穩(wěn)危及周圍環(huán)境。墻體從1.5H加長2H時(shí)，墻體最大位移點(diǎn)的位移由9.07mm減小到8.53mm，只變化了0.54mm。因此可以看出繼續(xù)增加墻體入土深度對穩(wěn)定性和變形的影響不大。

另外，圖中連續(xù)墻深度在H、1.5H和2.0H時(shí)連續(xù)墻的墻體變形不是特別明顯，這是由于原設(shè)計(jì)方案中的三道支撐影響，對于有支撐設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般只要及時(shí)架設(shè)支撐，通常不會發(fā)生整體性失穩(wěn)，而且對變形的影響也不顯著，因此可以相對減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度。

通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，對于有內(nèi)支撐的基坑，當(dāng)達(dá)到一定深度后繼續(xù)增加墻體的入土深度對改善墻體的側(cè)向變形和地表沉降的作用不是特別明顯，另外增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度往往需要很大的投資，因此在滿足基坑穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)該尋求其它的方法來控制墻體的變形。其實(shí)當(dāng)墻體深入到凝灰?guī)r中后，繼續(xù)增加連續(xù)墻的深度，墻體位移應(yīng)該幾乎保持不變[5]。

4 結(jié)語

參數(shù)分析結(jié)果表明，在墻體厚度較小時(shí)，墻體厚度增加可以明顯的減小墻體的水平位移，但隨著墻體厚度的增大，這種依靠增加厚度來減小墻體水平位移效果會很差。對于有內(nèi)支撐的基坑，當(dāng)達(dá)到一定深度后繼續(xù)增加墻體的入土深度對改善墻體的側(cè)向變形和地表沉降的作用不明顯。如果支撐作用位置設(shè)置合理，可相對地減小地連墻的側(cè)移。

參考文獻(xiàn)

[1] 白曉紅，陳東佐.基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)原理[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[2] 陳忠漢，黃書秩，程麗萍.深基坑工程[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3] 曹冬.基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2009：40-41.

[4] 王煥定，祁皚.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[5] 李劭暉.錨碇基坑嵌巖支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性和施工技術(shù)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.