圍護(hù)厚度對(duì)深基坑變形影響的分析

黃 偉，毛 毳，吳愫瓊

(1. 天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2. 天津市房屋質(zhì)量安全鑒定檢測(cè)中心 事業(yè)二部，天津 300385)

圍護(hù)厚度對(duì)深基坑變形影響的分析

黃 偉1，毛 毳1，吳愫瓊2

(1. 天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2. 天津市房屋質(zhì)量安全鑒定檢測(cè)中心 事業(yè)二部，天津 300385)

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度對(duì)深基坑變形的影響方面，目前的研究結(jié)果多集中在基坑某個(gè)部位的厚度變化對(duì)基坑水平位移的影響．以天津某地鐵站基坑工程實(shí)例為背景，在對(duì)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，沿基坑長(zhǎng)度方向選取多個(gè)剖面進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究了圍護(hù)厚度對(duì)基坑水平位移，基底隆起和坑外地表沉降這三種主要變形的影響．結(jié)果發(fā)現(xiàn)：圍護(hù)厚度對(duì)這三種基坑變形都有不同程度的影響，其中對(duì)基坑隆起和地表沉降這兩種變形的影響相當(dāng)且最小，而對(duì)基坑水平位移的影響最大．圍護(hù)厚度對(duì)這三種基坑變形的影響沿基坑長(zhǎng)度方向各不相同并有如下規(guī)律：在基坑變形越大的部位，圍護(hù)厚度對(duì)此處基坑的水平位移和基坑隆起這兩種變形的影響也越大，而對(duì)此處地表沉降的影響卻越小，反之亦然．

深基坑；三維數(shù)值模擬；圍護(hù)厚度；變形影響

在深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的截面尺寸是影響基坑變形的重要因素之一[1]．目前，對(duì)這方面的研究主要集中在圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度對(duì)基坑變形的影響方面[2-5]，而且基本上都只是選取了基坑中某個(gè)部位，研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度對(duì)基坑水平位移的影響．這種單一剖面的研究不能全面反映基坑每個(gè)部位隨厚度變化的變形情況，也沒(méi)有完整地體現(xiàn)出基坑其他變形的情況．本文以天津某地鐵基坑工程實(shí)例為背景，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件[6]，模擬了圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的變化對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑水平位移、基底隆起位移和坑外地表沉降位移的影響，并選取多個(gè)剖面進(jìn)行研究，得出圍護(hù)厚度對(duì)基坑不同部位變形的影響規(guī)律．

1 工程概況

本工程是能代表我國(guó)一般地鐵基坑尺寸的長(zhǎng)條形深大基坑，如圖1所示．基坑總長(zhǎng)度為 212,m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬 20,m，深度 16.5,m，而端頭井處深度18.12,m，整個(gè)基坑?xùn)|西對(duì)稱．基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔咬合灌注樁，標(biāo)準(zhǔn)段樁總長(zhǎng) 28.5,m，其中進(jìn)入坑底土中深度 12,m；端頭井處樁總長(zhǎng) 31.12,m，其中進(jìn)入坑底土中 13,m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比均為0.7．圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用內(nèi)支撐體系，鋼管支撐間距為3,m．

圖1 基坑平面圖(單位：m)

2 有限元模型的建立

2.1 模型尺寸

此基坑?xùn)|西對(duì)稱，故選取一半建立有限元模型．基坑端頭井開(kāi)挖寬度 25,m，深度 18.12,m，長(zhǎng)度15,m；標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖寬度20,m，深度16.5,m，長(zhǎng)度91,m．所以選擇總計(jì)算寬度為 180,m，深度為50,m，長(zhǎng)度為150,m，滿足3～5倍開(kāi)挖深度的影響范圍要求[7]．則該基坑計(jì)算域尺寸為 150(x)×50 (y)×180(z)．

2.2 荷載與約束條件

荷載：為便于計(jì)算，模型中以土的自重應(yīng)力作為初始地應(yīng)力，通過(guò) acle設(shè)置反向的重力加速度 g＝9.8,m/s2來(lái)完成．

邊界條件：下邊界面，即 y＝-50.0,m處，設(shè)約束 x、y、z三個(gè)方向位移；對(duì)稱邊界面，即 x＝106,m處和 x＝-44,m邊界面處，設(shè)約束 x方向位移；在z＝-90.0,m處和z＝90.0,m處邊界面處，設(shè)約束z方向位移．

2.3 材料常數(shù)

2.3.1 土體常數(shù)

依據(jù)工程勘察報(bào)告的數(shù)據(jù)，將基坑的土體簡(jiǎn)化為11層，相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示．

表1 土體常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)

2.3.2 土的本構(gòu)模型及屈服準(zhǔn)則

本文中采用 Drucker-Prager[8]模型作為巖土體的本構(gòu)模型，D-P屈服面在主應(yīng)力空間中表現(xiàn)為一曲面，其表達(dá)式為

式中：f為塑性勢(shì)函數(shù)； I1(σij)為應(yīng)力張量第一不變量；I2(Sij)為應(yīng)力偏張量第二不變量；α，k為材料常數(shù)，是材料 c，φ的函數(shù)，而φ，c分別為材料的內(nèi)摩擦角和黏聚力．

2.3.3 單元的選用

文中運(yùn)用抗彎剛度相等的方法將鉆孔咬合灌注樁等效為一定厚度的地下連續(xù)墻進(jìn)行分析．研究表明：按此等效的地下連續(xù)墻，計(jì)算結(jié)果偏于安全[9]．采用實(shí)體單元 solid65模擬地下連續(xù)墻．土體則選用 solid45單元模擬，支撐使用梁?jiǎn)卧狟eam188．

基坑三維網(wǎng)格模型如圖2所示，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的三維模型如圖3所示．

圖2 基坑三維網(wǎng)格模型

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型

3 開(kāi)挖施工過(guò)程的模擬

基坑開(kāi)挖按照實(shí)際施工形式進(jìn)行模擬．即首先從端頭井處開(kāi)始，然后分段、分層進(jìn)行開(kāi)挖，共分5個(gè)施工段進(jìn)行．其中端頭井處架設(shè) 5道支撐，開(kāi)挖層數(shù)從上到下分為 2.2，6.3，10.0，14.0，16.5，18.1,m 5層．標(biāo)準(zhǔn)段處架設(shè) 4道支撐，開(kāi)挖層數(shù)從上到下相應(yīng)分為 2.2，6.3，10.0，14.0，16.5,m 4層．圖4為分步開(kāi)挖示意圖．

圖4 基坑開(kāi)挖順序示意

基坑施工過(guò)程中的分步開(kāi)挖使用生死單元進(jìn)行模擬．通過(guò)使用Ekill命令殺死被開(kāi)挖的土體單元，來(lái)實(shí)現(xiàn)基坑的開(kāi)挖過(guò)程；通過(guò)使用Elive命令激活支撐單元，來(lái)實(shí)現(xiàn)其單元?jiǎng)偠染仃噮⑴c到整體矩陣的形成中．

4 圍護(hù)厚度對(duì)基坑變形的影響分析

相對(duì)端頭井而言，標(biāo)準(zhǔn)段很長(zhǎng)，是基坑的主要部分，也是本文的研究對(duì)象．具體方法是在標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度方向上選取多個(gè)剖切面，通過(guò)研究這些剖面處的基坑最大變形值和相應(yīng)變化率隨圍護(hù)厚度變化的變化特征，得出厚度對(duì)基坑變形的影響結(jié)果．圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度分別取實(shí)際工程中常用的 0.90，1.0，1.1，1.2，1.3,m 這五個(gè)數(shù)值，其他參數(shù)不變．同時(shí)設(shè)U＝(A-B)/A，其中A代表厚度變化前基坑變形值，B代表厚度變化后基坑變形值，U代表基坑變形的變化率．

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)基坑隆起的影響

(1)圍護(hù)厚度不同時(shí)基坑最大隆起曲線如圖5所示．從圖5可以看出，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，各剖面處基坑最大隆起量都不斷減少．這說(shuō)明可通過(guò)改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，來(lái)分析厚度變化對(duì)基坑變形的影響．圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加可以起到減小基坑隆起的作用．分析應(yīng)是由于圍護(hù)厚度的增加使得基坑外周?chē)馏w向坑內(nèi)的塑性位移減小導(dǎo)致．

圖5 不同圍護(hù)厚度時(shí)基坑最大隆起的變化曲線

(2)圍護(hù)厚度變化范圍不同時(shí)基坑隆起的變化率曲線如圖6所示．從圖6可以看出，各條曲線都有如下規(guī)律：隨著剖切面由近到遠(yuǎn)，基坑隆起的變化率先大幅度減小、后小幅度回升．說(shuō)明在隆起變形方面，圍護(hù)厚度對(duì)基坑標(biāo)準(zhǔn)段各部分的影響不盡相同，并且對(duì)靠近端頭井處的部分影響最大，而對(duì)中間段的影響相對(duì)較小．分析應(yīng)該是由于端頭井處開(kāi)挖深度和寬度都大于標(biāo)準(zhǔn)段部，對(duì)圍護(hù)厚度的變化更為敏感，導(dǎo)致靠近端頭井部分的標(biāo)準(zhǔn)段也受此影響．

圖6 不同圍護(hù)厚度下相同增量時(shí)基坑隆起變化率的變化曲線

(3)對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)：隨著剖切面由近到遠(yuǎn)，兩個(gè)圖中各曲線的起伏變化規(guī)律近似一致．說(shuō)明基坑的隆起變形越大，圍護(hù)厚度對(duì)基坑隆起變形的影響就越大，反之亦然．分析原因應(yīng)該是隆起量越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)周?chē)馏w向坑內(nèi)的塑性位移越容易發(fā)生．

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)地表沉降的影響

(1)圖7為圍護(hù)厚度不同時(shí)地表沉降最大值曲線．從圖7中可以看出，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度增加，各剖面處的地表最大沉降均呈減小趨勢(shì)．說(shuō)明圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加可以起到減小地表沉降的效果．分析應(yīng)是由于圍護(hù)厚度的增加使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)的位移減小導(dǎo)致基坑外側(cè)土體下降空間變窄所致．

圖7 不同圍護(hù)厚度時(shí)地表沉降最大值的變化曲線

(2)圖8為圍護(hù)厚度變化范圍不同時(shí)地表沉降的變化率曲線．圖8中可以看出，各條曲線都有如下規(guī)律：隨著剖切面由近到遠(yuǎn)，地表沉降的變化率越來(lái)越小．說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)段中離端頭井越遠(yuǎn)的部分，圍護(hù)厚度對(duì)地表沉降的影響越小．分析原因主要是由于端頭井處開(kāi)挖深度和寬度都大于標(biāo)準(zhǔn)段部，對(duì)圍護(hù)厚度的變化更為敏感，導(dǎo)致靠近端頭井部分的標(biāo)準(zhǔn)段也受此影響．

圖8 不同圍護(hù)厚度下相同增量時(shí)地表沉降變化率的變化曲線

(3)對(duì)比圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)：隨著剖切面由近到遠(yuǎn)，兩個(gè)圖中各曲線的起伏變化規(guī)律近似相反．說(shuō)明基坑的地表沉降越大，圍護(hù)厚度對(duì)基坑地表沉降的影響就越小，反之亦然．分析原因應(yīng)該是引起基坑地表沉降的周?chē)馏w是一個(gè)大面積的范圍，地表沉降越大，圍護(hù)厚度的變化對(duì)其影響越不敏感．

4.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

(1)圖9為圍護(hù)厚度不同時(shí)最大水平位移曲線．從圖9可以看出，隨著圍護(hù)厚度的增加，各剖面處基坑的最大水平位移均呈減少趨勢(shì)．這說(shuō)明圍護(hù)厚度的增加可以起到減小水平位移的效果．主要原因是隨著厚度增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身抗側(cè)移剛度越大，水平位移自然越小．

圖9 不同圍護(hù)厚度時(shí)基坑最大水平位移的變化曲線

(2)圖10為圍護(hù)厚度變化范圍不同時(shí)水平位移的變化率曲線．從圖10可以看出，各條曲線都有如下規(guī)律：基坑水平位移的變化率呈現(xiàn)中間大兩端小的規(guī)律．說(shuō)明在水平位移方面，圍護(hù)厚度的變化對(duì)靠近端頭井和中間段處的影響相對(duì)較小，而對(duì)這兩者之間的部分的影響相對(duì)較大．分析原因應(yīng)該是端頭井處的角部效應(yīng)[10]導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)在此處的水平位移不會(huì)隨厚度變化而有明顯的改變．

(3)對(duì)比圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn)：隨著剖切面由近到遠(yuǎn)，兩個(gè)圖中各曲線的起伏變化規(guī)律近似一致．說(shuō)明基坑的水平位移越大，圍護(hù)厚度對(duì)基坑水平位移的影響就越大，反之亦然．這是因?yàn)榛拥乃轿灰圃酱螅箓?cè)剛度越差，自然對(duì)圍護(hù)厚度的變化也比較敏感．

圖10 不同圍護(hù)厚度下相同增量時(shí)水平位移變化率的變化曲線

對(duì)比圖6、圖8和圖10可以發(fā)現(xiàn)：基坑隆起的變化率在 0.7%,～1.0%,，地表沉降的變化率在0.9%,～1.1%,，水平位移的變化率在 5%,～13%,．說(shuō)明圍護(hù)厚度對(duì)基坑隆起和地表沉降這兩種變形的影響程度相當(dāng)，而對(duì)基坑水平位移變形的影響最大．

5 結(jié) 論

(1)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，對(duì)基坑的三種主要變形都可以起到減少的作用．其中作用最明顯的是對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響，而作用最小的是對(duì)基坑隆起的影響．因此，在實(shí)際基坑變形控制中不應(yīng)忽略厚度變化對(duì)地表沉降、基坑隆起以及水平位移的影響，并應(yīng)根據(jù)影響大小區(qū)別對(duì)待．

(2)在基坑的三種主要變形方面，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)基坑影響最大的部分都不盡相同：其中對(duì)基坑隆起和地表沉降影響最大的部位在靠近端頭井處，而對(duì)水平位移影響最大的部位，既不在靠近端頭井處，也不在基坑中間部位，而是在這兩者之間的某個(gè)部分．所以在考慮厚度對(duì)基坑變形的影響時(shí)，對(duì)所有變形都選擇同一部位來(lái)進(jìn)行研究是不全面的，應(yīng)根據(jù)變形的種類(lèi)選擇相應(yīng)的部位．

(3)圍護(hù)厚度對(duì)基坑各部分變形的影響與基坑相應(yīng)部分變形的大小有著直接的關(guān)系．在基坑變形越大的部位，圍護(hù)厚度對(duì)此處基坑的水平位移和基坑隆起這兩種變形的影響也越大，而對(duì)此處地表沉降的影響卻越小，反之亦然．根據(jù)此結(jié)論可以直接通過(guò)基坑各部分變形的大小來(lái)推斷厚度對(duì)基坑各部分變形的影響大小，對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義．

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Analysis of Influence on Deformation of Envelope Thickness to Bilateral Deep Excavations

HUANG Wei1，MAO Cui1，WU Suqiong2
(1. College of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China；2. Division TWO，Tianjin Building Safety Appraisa& Inspection Center，Tianjin 300385，China)

In the influence of the thickness of the retaining structure on the deformation of deep foundation pit，the results of the present study are mostly concentrated on the influence of the thickness of the foundation ditch on the horizontal displacement of the foundation pit．Based on the case of a metro station in Tianjin city，the paper analyzes the three dimensional numerical simulation of the excavation process，and analyzes the influence of the thickness of the retaining wall on the horizontal displacement of foundation pit，the base heave and the settlement of the foundation pit．The results show that the deformation of the three kinds of foundation pit has different degrees，and the horizontal displacement and surface settlement of the two kinds of deformation are very important，but the deformation of foundation pit is minimum．The deformation of foundation pit is different and has the following rules：In the pit deformation of the site，the thickness of the foundation pit of the horizontal displacement and excavation of the two deformation of the impact is greater，and the impact of the surface subsidence is smaller，and vice versa.

deep foundation pit；3d numerical simulatio；envelope thickness；deformation effect

TU473.2

A

2095-719X(2016)05-0334-05

2015-10-19；

2015-12-05

黃 偉（1983—），男，湖北荊州人，天津城建大學(xué)碩士生.