滑坡地帶深基坑開(kāi)挖有限元數(shù)值分析——以重慶萬(wàn)州萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)工程為例

張繼川，石立國(guó)，張茅

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400021）

0 引言

深基坑開(kāi)挖不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，而且還要有效地控制由于基坑施工引起的變形及其對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，研究深基坑開(kāi)挖變形規(guī)律及其控制技術(shù)，對(duì)于深基坑的設(shè)計(jì)施工具有重要的指導(dǎo)意義[1-2]。

西部山區(qū)土地資源貧乏，人們?yōu)榱撕侠淼乩猛恋刭Y源經(jīng)常在邊坡上修筑各類(lèi)建筑物與構(gòu)筑物。在斜坡體上開(kāi)挖深基坑的力學(xué)原理較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中不但需要考慮基坑自身的穩(wěn)定問(wèn)題，還需要考慮基坑開(kāi)挖對(duì)滑坡體的影響，對(duì)于滑坡地帶的深基坑開(kāi)挖技術(shù)在國(guó)內(nèi)外研究資料較少[3]。

目前對(duì)深基坑穩(wěn)定性計(jì)算常常采用極限平衡法與有限元法[4]。極限平衡法計(jì)算簡(jiǎn)單，但不能計(jì)算基坑的位移，不能考慮施工的整個(gè)過(guò)程，因此常常用于簡(jiǎn)單基坑的計(jì)算。近年來(lái)，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體共同作用的二維、三維有限元分析[5]也被廣泛采用。陸新征[6]考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體之間的相互作用，對(duì)基坑進(jìn)行了施工全過(guò)程的三維有限元彈塑性分析和模擬。沈磊[7]總結(jié)模擬施工開(kāi)挖全過(guò)程的三維有限元分析模型，分析總結(jié)了長(zhǎng)峰商城超大深基坑逆作法施工地下連續(xù)墻水平變形和基坑周邊地表土體沉降特征。

本文以重慶市萬(wàn)州區(qū)和平廣場(chǎng)滑坡地帶深基坑開(kāi)挖工程為例，結(jié)合有限元數(shù)值模擬方法，采用ABAQUS有限元軟件，研究了滑坡地帶深基坑開(kāi)挖變形控制理論及其加固方法。計(jì)算結(jié)果表明:抗滑樁及抗滑鍵加固可以有效地減弱上部結(jié)構(gòu)的沉降及滑動(dòng)效應(yīng)，能減小基坑開(kāi)挖對(duì)整體結(jié)構(gòu)土層以及支護(hù)樁產(chǎn)生的內(nèi)力變化效應(yīng)，也能減少抗滑樁產(chǎn)生的內(nèi)力及位移變化效應(yīng)。

1 滑坡地帶深基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬

1.1 問(wèn)題描述

重慶萬(wàn)州萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)工程位于重慶市萬(wàn)州區(qū)和平廣場(chǎng)滑坡堆積體內(nèi)的南部，地處長(zhǎng)江左岸與其一級(jí)支流苧溪河交匯處，為長(zhǎng)江三峽工程庫(kù)區(qū)重點(diǎn)勘察防治的“四大滑坡”之一，屬三峽庫(kù)區(qū)列入規(guī)劃必須治理的地質(zhì)災(zāi)害體。

擬建場(chǎng)地位于重慶市萬(wàn)州區(qū)和平廣場(chǎng)馮家院片區(qū)，處于重慶市萬(wàn)州區(qū)和平廣場(chǎng)滑坡堆積體內(nèi)的南部（見(jiàn)圖1）。和平廣場(chǎng)堆積體是以崩滑堆積為主，坡積、河流沖積為輔混合形成的。堆積體呈橫長(zhǎng)型，前緣高程108～147m，后緣高程210～215m，橫長(zhǎng)2.5km，面積105萬(wàn)m2，總體積1950萬(wàn)m3。 該滑坡體上建筑物密集，荷載較大。本文利用ABAQUS數(shù)值分析軟件，研究了滑坡地帶深基坑開(kāi)挖的力學(xué)響應(yīng)，分析了滑坡體上深基坑開(kāi)挖對(duì)坡面建筑物的影響及其加固措施，從而提出基于變形可控的滑坡地帶深基坑開(kāi)挖及其治理方法。

圖1 基坑施工總體規(guī)劃圖

1.2 變形體物質(zhì)組成差異

根據(jù)地質(zhì)勘查，變形體物質(zhì)組成差異如下:

上部人工填土厚度0.8～4.10m；下部粉質(zhì)粘土為崩坡積土滑坡堆積層，塊、碎石含量較高，其厚度2.46～27.20m；基巖為砂質(zhì)泥巖、砂泥巖互層。

1.3 模型材料參數(shù)

實(shí)體部件包括基巖、土體、擋墻和混凝土支護(hù)樁及抗滑樁。其中基巖、混凝土擋墻，混凝土支護(hù)樁和抗滑樁定義為彈性材料；土體不僅考慮其彈性形變，還需考慮土體本身的內(nèi)摩擦角及粘聚力，故同時(shí)考慮彈性及摩爾—庫(kù)侖模型。

基巖:密度2200kg/m3，楊氏彈性模量E=200MPa，泊松比0.25。

混凝土材料:密度2400kg/m3，楊氏彈性模量E=300MPa，泊松比0.2。

土體:密度1950kg/m3，楊氏彈性模量E=20MPa，泊松比0.25。 粘聚力c=20kPa，內(nèi)摩擦角20°。

1.4 有限元模型

依據(jù)地形地貌圖，采取典型剖面，借助ABAQUS有限元軟件，建立有限元模型，其中:土體、基巖和擋土墻、樁部件均采用Hex-Structure的網(wǎng)格劃分，單元類(lèi)型采用C3D8I（8節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元），線性非協(xié)調(diào)模式單元只在中心存在一個(gè)積分點(diǎn)，通過(guò)外插值和平均后得到節(jié)點(diǎn)應(yīng)力。

1.5 邊界和荷載條件

1.5.1 接觸邊界條件

(1)位移約束條件:分別約束土體、基巖在縱橫斷面的縱向位移U1和橫向位移U3，約束基巖底面的三個(gè)方向位移U1、U2、U3。

(2)接觸邊界條件:巖石和土層之間施加接觸邊界條件，并采用罰函數(shù)接觸算法計(jì)算巖石與土層之間的相互作用。

1.5.2 荷載條件

(1)重力荷載:對(duì)整個(gè)模型結(jié)構(gòu)施加重力，重力加速度為9.8m/s2。

(2)坡面附加荷載:采用均布荷載對(duì)坡面建筑物進(jìn)行模擬，其荷載大小為200kN/m2。

1.6 計(jì)算工況

在開(kāi)挖過(guò)程中采用分層、放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖深度為20m，分為8層，每層開(kāi)挖深度為2.5m，在開(kāi)挖到10m時(shí)，在距支護(hù)樁8m的位置采用1:1的放坡開(kāi)挖，如圖2。

圖2 滑坡帶深基坑開(kāi)挖示意圖

在計(jì)算中，分別采用基坑支護(hù)樁加固；基坑支護(hù)樁+雙排抗滑樁加固；基坑支護(hù)樁+雙排抗滑樁+雙排抗滑鍵加固的方式分別進(jìn)行計(jì)算，從而通過(guò)比較給出最優(yōu)加固方式。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 Mises內(nèi)力對(duì)比分析

平衡地應(yīng)力后，開(kāi)挖所造成的整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化云圖如圖3所示。可知，開(kāi)挖所造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化主要發(fā)生在上緣已建成的建筑物作用外荷載的區(qū)域內(nèi)，尤其是最上部階梯狀土層范圍內(nèi)。

圖3 支護(hù)樁工況基坑開(kāi)挖滑坡體Mises內(nèi)力云圖

圖4給出抗滑樁支護(hù)基坑開(kāi)挖滑坡體Mises內(nèi)力云圖可知，開(kāi)挖所造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化主要發(fā)生在上緣已建成的建筑物作用外荷載的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)采用抗滑樁支護(hù)時(shí)，抗滑樁可以有效地加固樁后滑坡體，相比于沒(méi)有抗滑樁加固的情況，整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化值略微減小。

圖4 支護(hù)樁+抗滑樁工況基坑開(kāi)挖滑坡體Mises內(nèi)力云圖

由圖5可以看出，打入埋入式抗滑鍵以后，上部已建成建筑物所在處土體產(chǎn)生的內(nèi)力變化相對(duì)于前面兩種情況有所減小，而抗滑鍵與基巖接觸部分會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中效應(yīng)。由此可知，抗滑鍵對(duì)整體結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)起到了一定的抵抗作用。

圖5 支護(hù)樁+抗滑樁+抗滑鍵工況基坑開(kāi)挖滑坡體Mises內(nèi)力云圖

2.2 位移對(duì)比分析

圖6給出了3種工況下的支護(hù)樁頂水平位移與開(kāi)挖深度的關(guān)系曲線，可以看出:隨著開(kāi)挖深度的增加，支護(hù)樁頂水平位移逐漸增大，當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)到放坡開(kāi)挖深度時(shí)（10m），支護(hù)樁頂水平位移增加緩慢，逐漸趨于平穩(wěn)；三種工況下支護(hù)樁頂水平位移數(shù)量級(jí)發(fā)生改變，即支護(hù)樁加固工況支護(hù)樁頂水平位移為23cm，支護(hù)樁+抗滑樁工況支護(hù)樁頂水平位移為25mm，支護(hù)樁+抗滑樁+抗滑鍵工況支護(hù)樁頂水平位移為4mm。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的加固，能有效控制支護(hù)樁頂水平位移。

圖6 三種工況下支護(hù)樁頂水平位移關(guān)系曲線

圖7給出了2種工況下的抗滑樁頂水平位移與開(kāi)挖深度的關(guān)系曲線，可以看出:采用抗滑樁+抗滑鍵加固可以有效的減小抗滑樁頂水平位移，且2號(hào)樁頂位移大于1號(hào)樁頂位移。

圖7 抗滑樁頂水平位移關(guān)系曲線

圖8給出了3種工況下的坡面水平位移與距基坑距離的關(guān)系曲線，可以看出:隨著距基坑距離的增大，坡面水平位移逐漸減小，且經(jīng)過(guò)抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的加固，能有效控制基坑開(kāi)挖時(shí)上坡面建構(gòu)筑物的水平位移。抗滑樁+抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的控制效果最優(yōu)。

圖8 三種工況下距基坑距離-坡面水平位移關(guān)系曲線

3 結(jié)論

萬(wàn)州萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)深基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)上部已建成建筑物會(huì)產(chǎn)生一定的影響，為減弱上部結(jié)構(gòu)的沉降及滑動(dòng)效應(yīng)，相應(yīng)的進(jìn)行了抗滑樁及抗滑鍵加固。

通過(guò)分析我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的變化主要集中在上部已建成建筑物所在點(diǎn)下部的土層內(nèi)，由于該區(qū)域上部直接受到了外荷載作用，所以開(kāi)挖產(chǎn)生的影響在該區(qū)域相對(duì)明顯。

土層產(chǎn)生的位移以沿著坡面的滑動(dòng)為主，產(chǎn)生的沉降效應(yīng)相對(duì)是次要的。滑動(dòng)面呈滑弧狀，在距離開(kāi)挖區(qū)50m范圍以內(nèi)尤為明顯，而上層已建成建筑物的區(qū)域受到開(kāi)挖產(chǎn)生的位移影響相對(duì)較小。

經(jīng)過(guò)抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的加固，能有效控制基坑開(kāi)挖時(shí)上坡面建、構(gòu)筑物的水平位移。抗滑樁+抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的控制效果最優(yōu)。

[1]Nagaraj T s，M K， Sridharan A.incremental loading device for stress path and strength testing of soils[J].Geoteehnieal Testing Joumal， 1981， 4(2)，:110-118.

[2]Balasubramaniam A S，Chaudhry A R.Deformation and streng the haraeteristies of soft Bangkok clay[J].Joumal of the Geoteehnieal Engineering Division， 1978，104(9):1153-1167.

[3]石立國(guó)，張茅，余德浩，等. 重慶萬(wàn)州萬(wàn)達(dá)項(xiàng)目滑坡地帶基坑開(kāi)挖土體變形控制技術(shù)研究 [J].重慶建筑，2012(12):4-6.

[4]楊光華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用[M].地質(zhì)出版社，2004.

[5]孫鈞，汪炳監(jiān).地下結(jié)構(gòu)有限元法分析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1988.

[6]陸新征，宋二祥，吉林，等. 某特深基坑考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體共同作用的三維有限元分析 [J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25(4):488-491.

[7]沈磊，陸余年，岳建勇.超大深基坑變形特征的數(shù)值模擬及其實(shí)測(cè)分析 [J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1(4):538-542.