有限土壓力下基坑變形特性數(shù)值分析研究

陳 展

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052)

有限土壓力下基坑變形特性數(shù)值分析研究

陳 展

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052)

當(dāng)新開挖基坑與既有基坑距離較近時(shí)，由于缺乏土壓力折減依據(jù)等原因，現(xiàn)有設(shè)計(jì)軟件難以完善地考慮基坑邊坡土壓力問題。而數(shù)值模擬方法不受上述環(huán)境限制，采用數(shù)值模擬方法對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果也相對(duì)更準(zhǔn)確合理。文章以成都某工程基坑為例，對(duì)有限土壓力下基坑變形受力特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，為基坑設(shè)計(jì)提供了理論支持，也為同類工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

有限土壓力； 基坑； 支護(hù)設(shè)計(jì)； 數(shù)值分析

在城市建筑基坑工程建設(shè)中，常常會(huì)出現(xiàn)基坑并行施工的情況。當(dāng)相鄰的兩基坑施工時(shí)，如何合理考慮基坑邊坡有限土壓力，一直是困擾巖土工程設(shè)計(jì)人員的問題之一。在實(shí)際工程應(yīng)用中通常采用土壓力折減的方法，但由于缺乏理論及相關(guān)規(guī)范依據(jù)，對(duì)土壓力的折減往往與實(shí)際情況有較大差異，支護(hù)設(shè)計(jì)方案并不優(yōu)化。成都市成華區(qū)某基坑工程臨近已開挖完成的恒河廣場(chǎng)基坑，兩基坑間距僅4.5 m。新開挖基坑邊坡為典型的有限土壓力基坑邊坡，本文采用有限差分?jǐn)?shù)值分析方法，通過建立有限差分模型對(duì)基坑邊坡受力變形特征進(jìn)行分析，確認(rèn)設(shè)計(jì)方案的安全性與合理性，為基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供理論支持。同時(shí)分析成果還可以積累經(jīng)驗(yàn)，為同類工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況介紹

成都某新建基坑工程臨近已開挖完成的恒河廣場(chǎng)基坑，兩基坑間距僅4.5 m。恒河廣場(chǎng)與新建基坑相鄰的一側(cè)開挖深度不同，開挖深度分為22.4 m和10.5 m兩種。新建基坑開挖深度18 m，針對(duì)恒河廣場(chǎng)不同的開挖深度，新建基坑分別設(shè)計(jì)了兩種支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

臨近恒河廣場(chǎng)基坑開挖深度22.4 m區(qū)段，新建基坑不具備錨索施工條件，因此采用懸臂樁支護(hù)。設(shè)計(jì)支護(hù)樁樁徑1.5 m，樁長(zhǎng)32 m(其中懸臂段18 m，錨固段14 m)，樁間距2.4 m，支護(hù)設(shè)計(jì)示意見圖1。

臨近恒河廣場(chǎng)基坑開挖深度10.5 m區(qū)段，新建基坑采用懸臂樁+錨索支護(hù)。設(shè)計(jì)支護(hù)樁樁徑1.5 m，樁長(zhǎng)31 m(其中懸臂段18 m，錨固段13 m)，樁間距2.4 m，距樁頂10.5 m處開始設(shè)置兩道錨索，錨索豎向間距3 m，支護(hù)設(shè)計(jì)示意見圖2。

圖1 懸臂樁支護(hù)邊坡示意

圖2 樁錨支護(hù)邊坡示意

2 基坑懸臂樁支護(hù)剖面數(shù)值分析

2.1 模型建立

采用有限差分軟件對(duì)上述新建基坑工程懸臂樁支護(hù)剖面進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建立的模型示意見圖3，其中恒河廣場(chǎng)一側(cè)基坑已經(jīng)開挖22.4m，模型中各地層分布情況依據(jù)勘察報(bào)告結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。

圖3 建立的數(shù)值模型

模型中基坑開挖深度及新建支護(hù)樁與原有支護(hù)樁關(guān)系示意見圖4，圖中長(zhǎng)樁為原有恒河廣場(chǎng)基坑支護(hù)樁，短樁為新增基坑支護(hù)樁。原恒河廣場(chǎng)開挖深度為22.4 m，新基坑開挖深度為18 m。

圖4 模型新建樁與既有樁示意

模型中各地層物理力學(xué)特性依據(jù)勘察報(bào)告推薦值進(jìn)行設(shè)置，各地層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 模型各地層物理力學(xué)參數(shù)取值

2.2 基坑變形特性分析

基坑開挖后模型豎向變形云圖見圖5。從圖中可以看出，基坑開挖后基坑底部由于卸載產(chǎn)生了明顯的拱起，基底最大拱起量約12 mm。

圖5 基坑開挖后模型豎直方向變形云圖

基坑開挖后模型水平x方向變形云圖見圖6。從圖中可以看出，由于新開挖基坑坡后土體大部分已經(jīng)被開挖，因此邊坡產(chǎn)生的土壓力較小。基坑坡頂最大變形量約5.2 mm，坡腳最大變形量約2.4 mm。

圖6 基坑開挖后模型水平x方向變形云圖

2.3 支護(hù)樁受力特征分析

基坑開挖后支護(hù)樁豎向應(yīng)力云圖見圖7。從圖中可以看出支護(hù)樁最大豎向應(yīng)力約為1.86 MPa，最大應(yīng)力位于樁身基底位置，且遠(yuǎn)小于樁身強(qiáng)度值。

圖7 基坑開挖后支護(hù)樁豎直方向應(yīng)力云圖

基坑開挖后支護(hù)樁水平向應(yīng)力云圖見圖8。從圖中可以看出樁身最大水平應(yīng)力約為131 kPa，最大應(yīng)力位于樁底附近，遠(yuǎn)小于樁身強(qiáng)度值。

圖8 基坑開挖后支護(hù)樁水平方向應(yīng)力云圖

3 基坑樁錨支護(hù)剖面數(shù)值分析

3.1 模型建立

采用有限差分軟件對(duì)樁錨支護(hù)剖面進(jìn)行數(shù)值模擬分析。建立的模型示意圖見圖9，其中恒河廣場(chǎng)一側(cè)基坑已經(jīng)開挖10.5 m，模型中各地層分布情況依據(jù)勘察報(bào)告結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。

圖9 建立的數(shù)值模型

模型中基坑開挖深度及樁錨關(guān)系見圖10，圖中深色為基坑支護(hù)樁及錨索結(jié)構(gòu)單元。原恒河廣場(chǎng)開挖深度為10.5 m，新基坑開挖深度為18 m。

圖10 模型基坑開挖深度及樁錨關(guān)系示意

模型中各地層物理力學(xué)特性依據(jù)勘察報(bào)告推薦值進(jìn)行設(shè)置，物理力學(xué)參數(shù)取值見表1，錨索錨固相關(guān)參數(shù)取值見表2。

表2 土體與錨固體的極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

3.2 基坑變形特性分析

基坑開挖后模型豎向變形云圖見圖11。從圖中可以看出，基坑開挖后基坑底部由于卸載產(chǎn)生了明顯的拱起，基底最大拱起量約12.2 mm。

圖11 基坑開挖后模型豎直方向變形云圖

基坑開挖后模型水平x方向變形云圖見圖12。從圖12中可以看出，由于新開挖基坑坡頂后方部分土體已經(jīng)被開挖，因此邊坡上部產(chǎn)生的土壓力較小。基坑坡頂朝向既有基坑變形，最大變形量約14 mm，坡腳朝向基坑內(nèi)側(cè)變形，最大變形量約2 mm。

圖12 基坑開挖后模型水平x方向變形云圖

3.3 支護(hù)樁受力特征分析

基坑開挖后支護(hù)樁豎向應(yīng)力云圖見圖13。從圖中可以看出支護(hù)樁樁身最大豎向應(yīng)力約為1.3 MPa，最大應(yīng)力位于樁身基底位置及腰梁位置，遠(yuǎn)小于樁身強(qiáng)度值。

基坑開挖后支護(hù)樁水平方向應(yīng)力云圖見圖14。從圖中可以看出支護(hù)樁樁身最大水平應(yīng)力約為160 kPa，最大應(yīng)力位于樁底及腰梁附近，最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其強(qiáng)度值。

圖14 基坑開挖后支護(hù)樁水平x方向應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

在本項(xiàng)目中，采用數(shù)值模擬方法對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)根據(jù)基坑懸臂樁支護(hù)剖面數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，由于新開挖基坑深度小于既有恒河廣場(chǎng)基坑深度，新開挖基坑坡頂產(chǎn)生了朝向既有基坑方向的變形，最大變形量約5 mm，其變形方向?qū)π麻_挖基坑安全有利。懸臂樁樁身應(yīng)力較小，最大應(yīng)力約1.9 MPa，遠(yuǎn)小于支護(hù)樁自身強(qiáng)度；

(2)根據(jù)基坑樁錨支護(hù)剖面數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，同樣新開挖基坑邊坡坡頂一定范圍內(nèi)坡后土體已經(jīng)被開挖，新開挖基坑坡頂產(chǎn)生了朝向既有基坑方向的變形，最大變形量約14 mm，其變形方向?qū)π麻_挖基坑安全有利。樁身應(yīng)力較小，最大應(yīng)力約1.4 MPa，遠(yuǎn)小于支護(hù)樁自身強(qiáng)度；

(3)數(shù)值分析結(jié)果表明，按照現(xiàn)有懸臂樁及樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)方案可滿足對(duì)應(yīng)剖面基坑邊坡安全，但計(jì)算中未考慮基坑坡頂附加荷載，因此在施工過程中坡頂不應(yīng)堆載重物。

[1] 馬平, 秦四清, 錢海濤. 有限土體主動(dòng)土壓力計(jì)算[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(1): 3070-3074.

[2] 李峰, 郭院成. 基坑工程有限土體主動(dòng)土壓力計(jì)算分析研究[J]. 建筑科學(xué), 2008, 24(1): 15-18.

陳展，男，工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)與施工工作。

TU94+2

A

[定稿日期]2017-04-06