超深大基坑支護(hù)設(shè)計(jì)原理及三維有限元數(shù)值分析

何首文

(山西一建集團(tuán)有限公司，侯馬　043003)

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超深大基坑支護(hù)設(shè)計(jì)原理及三維有限元數(shù)值分析

何首文

(山西一建集團(tuán)有限公司，侯馬043003)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市可以利用的空間越來(lái)越少，這就要求更多的建筑開(kāi)始向地下發(fā)展，深基坑支護(hù)在城市建設(shè)中頻繁使用，如何保證深基坑的安全性、合理性已經(jīng)成為深基坑設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。本文結(jié)合工程實(shí)例，利用巖土計(jì)算軟件理正深基坑7.0和有限元分析軟件Midas-GTS對(duì)基坑的安全性進(jìn)行分析，其支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維有限元分析結(jié)果其分析結(jié)果可為優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供有益參考，為類似工程提供借鑒。

深基坑；支護(hù)；理正；有限元模擬

1　引言

深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的最根本要求就是“安全、造價(jià)低、施工方便”，這是全面考察主體結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)，如水位高低的波動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的變動(dòng)等。將多種支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)比，從中選擇最適合該施工情況的支護(hù)形式[1-4]。由于深基坑工程屬于危險(xiǎn)性工程，稍有不慎，將對(duì)人們的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響，其造成的后果不可估量[5-8]。因此，在深基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，需要充分考慮基坑開(kāi)挖造成的位移和穩(wěn)定性，尤其是深大基坑的施工；在基坑開(kāi)挖過(guò)程中如何對(duì)保證深基坑開(kāi)挖的位移和穩(wěn)定性成為其施工最大難點(diǎn)。

2　工程概況

該深大基坑工程位于山西省某地，該項(xiàng)目擬建3棟商住樓，其中中心塔樓25層，基坑邊裙樓6層，地下室3層。本基坑的土層以粉土和砂土居多，巖土參數(shù)見(jiàn)表1。故本基坑需充分考慮水文地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)成本原因，結(jié)合專家意見(jiàn)，選取鉆孔灌注樁方案，采用直徑為鉆孔灌注樁，其間距為1 250mm，外加三軸攪拌樁。為了防止由于基坑開(kāi)挖引起的鉆孔灌注樁側(cè)向位移過(guò)大、地基土變形，合理確定基坑的開(kāi)挖工況、支撐的程序尤為重要。深基坑的開(kāi)挖深度與最下道鋼支撐到坑底的距離不能過(guò)大。在全面整合研討之后，可以四步來(lái)豎向開(kāi)挖深基坑，配置3道鋼支撐，支撐材料則選取直徑為106mm，壁厚16mm的鋼管。深基坑支護(hù)平面布置見(jiàn)圖1所示。

巖土參數(shù)力學(xué)表如表1所示。

3　深基坑支護(hù)原理分析

利用有限元方法來(lái)計(jì)算板樁結(jié)構(gòu)的原理及模式如圖2所示，它的主要原理是將彈性地基梁繞中心位置旋轉(zhuǎn)90°，然后將挖面以上的土體彈簧單元移動(dòng)到非工作結(jié)構(gòu)處。墻后具有支撐墻體的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在支撐的過(guò)程中同時(shí)受到主動(dòng)土壓力的作用，對(duì)于墻體前需要被施工的土及鋼結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)為彈性地基。根據(jù)就近單元原則對(duì)墻體上的土承受的壓力進(jìn)行排列劃分，從而將單元簡(jiǎn)化為單元節(jié)點(diǎn)上的一點(diǎn)，然后對(duì)該點(diǎn)的集中力載荷進(jìn)行分析。對(duì)于同樣區(qū)域的土下部分土體的彈簧載荷分析的原理與墻體相似，也是對(duì)土體的就近單元進(jìn)行劃分，然后將載荷分析簡(jiǎn)化為對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的集中力荷載分析，其節(jié)點(diǎn)上承受彈性支撐力，然后利用有限元的相關(guān)原理和計(jì)算方法來(lái)對(duì)支護(hù)墻體進(jìn)行載荷研究和穩(wěn)定性分析，如圖2所示。

圖1　深基坑支護(hù)平面布置圖

表1　巖土參數(shù)力學(xué)表

上述的分析過(guò)程可以簡(jiǎn)要地表述如下：首先將分析土域的土體以及其支撐架構(gòu)當(dāng)作彈性支撐，然后利用墻體與支撐結(jié)構(gòu)的共同協(xié)調(diào)作用可知，它們將同時(shí)變形，因此利用同時(shí)變形的原理對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果是相對(duì)比較準(zhǔn)確的。

排樁加內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)形式確定基坑開(kāi)挖施工工況是確保工程進(jìn)行的前提，根據(jù)在實(shí)際施工過(guò)程中的基坑開(kāi)挖的進(jìn)度情況以確定支護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中的受力計(jì)算簡(jiǎn)圖。

圖2　深基坑有限元計(jì)算模式

4　深基坑支護(hù)有限分析

土體主要由固體、液體、氣體三相結(jié)構(gòu)組成的一種復(fù)雜體，土體的本構(gòu)關(guān)系主要是指其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系。土體的組成元素相對(duì)比較復(fù)雜同時(shí)成分之間的離散性較大，由于元素之間的物理性能差距較大，因此對(duì)于土體整體來(lái)說(shuō)其具有非線性、粘塑性等物理性質(zhì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)土體的本構(gòu)關(guān)系研究已經(jīng)有幾十年的經(jīng)驗(yàn)了，在相關(guān)的研究理論的發(fā)展中專家提出了上百種關(guān)于土體本構(gòu)的研究模型，并且在實(shí)際的工程應(yīng)用實(shí)踐中將已經(jīng)成熟的研究理論引入了進(jìn)去。同時(shí)人們利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)編程的方式來(lái)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，逐步引入數(shù)值分析技術(shù)以解決一些工程中的實(shí)際問(wèn)題。在土體相關(guān)關(guān)系從理論研究發(fā)展到實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，成熟的理論及研究模型要被人們認(rèn)可并且應(yīng)用實(shí)踐中是十分有限的。

4.1深基坑開(kāi)挖有限元模擬過(guò)程

該施工模擬過(guò)程主要分三步進(jìn)行，其在開(kāi)挖過(guò)程中主要采用“空單元”法來(lái)進(jìn)行。其主要的計(jì)算過(guò)程及步驟如下：

對(duì)深基坑施加足夠重力載荷的同時(shí)計(jì)算其初始的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。如圖3所示。

圖3　深基坑支護(hù)有限分析模型

第一次開(kāi)挖的深度為1.2m，開(kāi)挖過(guò)后的深基坑單元用“空單元”來(lái)表示，并對(duì)該過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算。

設(shè)置第一道支撐，第二次開(kāi)挖的深度為6.7m，開(kāi)挖過(guò)后的深基坑單元用“空單元”來(lái)表示，并對(duì)該過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算。

設(shè)置第二道支撐，第三次開(kāi)挖深度為12.2m，開(kāi)挖過(guò)后的深基坑單元用“空單元”來(lái)表示，并對(duì)該過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算。

設(shè)置第三道支撐，第四次開(kāi)挖深度為15.5m，開(kāi)挖過(guò)后的深基坑單元用“空單元”來(lái)表示，并對(duì)該過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)進(jìn)行分析和計(jì)算。

4.2深基坑開(kāi)挖有限元分析結(jié)果

從圖4的位移圖中分析可知，圍護(hù)樁支付體系的水平位移在一定的范圍內(nèi)，本次模擬試驗(yàn)中其水平位移在30m以內(nèi)，其中第一次開(kāi)挖過(guò)程中其基本不發(fā)生水平位移，第二次開(kāi)挖過(guò)程中其可能產(chǎn)生在坑底處8mm左右的水平位移，第三次開(kāi)挖出現(xiàn)的水平位移高達(dá)18mm，本次水平位移發(fā)生的位置集中在距離坑深6m左右的位置，而到了第四次開(kāi)挖，本次產(chǎn)生的水平位移達(dá)到了23mm左右，該水平位移主要發(fā)生在距離坑底8m處。

圖4　深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對(duì)比圖

各次開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)樁的彎矩會(huì)發(fā)生如圖5的變化。

在具體的工程實(shí)踐應(yīng)用中，如本次的深基坑開(kāi)挖工程中圍護(hù)樁承受土體的水平載荷而發(fā)生的彎矩會(huì)隨著開(kāi)挖深度的加深而不斷增大，同時(shí)支撐土體的支撐結(jié)構(gòu)受到的彎矩也在不斷增加，通過(guò)以上的分析我們知道最大彎矩值發(fā)生在第四次開(kāi)挖過(guò)程中，其值為-1839KN/m，將該彎矩值與圍護(hù)樁所能承受的彎矩極限值比較，整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)樁的結(jié)構(gòu)性能基本上能得到保障。同時(shí)在施工過(guò)程中不斷增加開(kāi)挖深度，其支撐的支護(hù)樁的正、負(fù)向的彎矩也會(huì)不斷地增大，因此為了保障施工過(guò)程的安全性，必須增加施工的截面尺寸，同時(shí)向支護(hù)樁中配置鋼筋以增強(qiáng)其支撐力，另外圍護(hù)樁中的雙向配筋也能起到對(duì)施工過(guò)程中的安全性能加固的作用，能夠充分抵抗樁身彎矩的變化而產(chǎn)生的影響。

圖5　圍護(hù)樁開(kāi)挖彎矩圖

同時(shí)對(duì)于支護(hù)樁的安裝也需要滿足一定的安全要求，如支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該埋深的深度問(wèn)題，如果埋深的深度增加其支護(hù)樁的側(cè)向位移將會(huì)減少。當(dāng)支護(hù)樁的埋深深度得到了保障后，在施工過(guò)程中其發(fā)生的最大位移一般處于開(kāi)挖面附近，因此如果此時(shí)繼續(xù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)增加埋深深度，其起到的抵抗基坑變形的能力并不會(huì)得到明顯的提高。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家的不斷研究，發(fā)現(xiàn)在保證基坑底部不隆起以及支護(hù)樁的埋深深度滿足條件最小的情況下，其圍護(hù)樁的位移量與支護(hù)樁的埋深深度并沒(méi)有太大的關(guān)系。因此在選擇支護(hù)樁的埋深深度的時(shí)候主要考慮其正、負(fù)向的彎矩值，以保證其在施工過(guò)程中能夠充分利用材料實(shí)現(xiàn)對(duì)樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在開(kāi)挖過(guò)程中深基坑底部出現(xiàn)隆起的主要原因是在土體卸載過(guò)程中其原始的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了相應(yīng)的變化。在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中其隆起值的曲線圖如圖6所示。從圖中可以知道其基坑中心為水平距離的零點(diǎn)，基坑的總寬度為18m。

通過(guò)對(duì)圖6的曲線圖分析可知，基坑底部的隆起量會(huì)隨著開(kāi)挖深度的增加而不斷增加，大約在基坑深度的中間位置其發(fā)生的隆起量最大，基坑側(cè)壁依靠圍護(hù)樁的保護(hù)以及約束因此其隆起量相對(duì)較小而忽略。第四次開(kāi)挖過(guò)程中基坑深度的中間位置的隆起量為7.86mm，本次的工程實(shí)踐中坑底隆起量的變化基本上是均勻的，沒(méi)有出現(xiàn)較大幅度隆起起伏。因此整個(gè)施工過(guò)程中坑底隆起處于彈性工作狀態(tài)，整個(gè)工程環(huán)境安全不會(huì)因?yàn)槁∑鸲l(fā)生基坑破壞。

圖7　樁外土體沉降圖

施工中圍護(hù)樁外部的土體產(chǎn)生的變形曲線圖如圖7所示。

5　結(jié)論

在水平壓力的作用下開(kāi)挖后的基坑會(huì)使其支撐的圍護(hù)樁發(fā)生一定的變形，從而使得整個(gè)施工區(qū)域除圍護(hù)樁以內(nèi)的土體出現(xiàn)沉降，隨著開(kāi)挖深度的深入，土體的沉降量越來(lái)越大，其最大的沉降量為21mm，而靠近樁附近的土體因?yàn)槭艿絿o(hù)樁或者支護(hù)樁的保護(hù)其沉降量不明顯；反之施工土體距離基坑越遠(yuǎn)開(kāi)挖效果對(duì)其沉降的影響也越小，其在坑深3倍處位置的變形量區(qū)域平穩(wěn)。

水的因素是影響基坑安全的性的最重要的影響，本文在建立有限元分析模型時(shí)對(duì)水位進(jìn)行了設(shè)置，研究在水位變化的情況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和基坑外側(cè)土體的沉降。

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Super Deep Foundation Pit Supporting Design Principle and the Three-dimensional Finite Element Numerical Analysis

He Shouwen

(ShanxiFirstConstructionGroupCo.，Ltd.，Houma043003，China)

Along with the rapid development of economy in our country，the space that a city can take advantage of becomes less and less.Thus,it is necessary to develop underground buildings，using deep foundation pit supporting. How to guarantee the security and the rationality of the deep foundation pit has become the important problem in the design of deep foundation pit.Based on the engineering example and using the calculation software of geotechnical principle of deep foundation pit and the finite element analysis software Midas GTS-7.0 to analyze the security of foundation pit, its analysis results can provide reference for optimization design and construction of similar projects.

Deep Foundation Pit；Support；Richard；Finite Element Simulation

何首文(1976-)，男，工程師。主要從事建筑工程檢測(cè)工作。

TU472

A

1674-7461(2016)01-0075-05

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.13