排水邊界條件影響下閘室基坑開挖支護算例分析

(河南省水利水電學校，河南 鄭州 466001)

排水邊界條件影響下閘室基坑開挖支護算例分析

李文奇陳法興

(河南省水利水電學校，河南 鄭州 466001)

本文在總結(jié)概括國內(nèi)外基坑開挖支護方法及數(shù)值模擬分析應用現(xiàn)狀的基礎上，探討了不同本構(gòu)模型、不同方向開挖釋放荷載及排水邊界條件對基坑開挖的影響，進而結(jié)合水閘基坑實際情況，開展連續(xù)防滲墻支護基坑情況下滲流-應力耦合數(shù)值模擬分析。

基坑開挖；本構(gòu)模型；支護；數(shù)值模擬

1 工程概況

河南省淮陽縣清水河毛寨節(jié)制閘基坑在河道中開挖，由于兩側(cè)地下水水位較高，故采用混凝土連續(xù)防滲墻作為防滲及支護的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。防滲墻沿x方向(順河)連續(xù)布置，總跨度118m，y方向(橫河)最大跨度61.2m，上下游兩側(cè)y方向跨度41.2m。地下防滲墻位于地下1.7m處，深度28m。防滲墻澆筑完成后進行基坑開挖工作。防滲墻x方向包圍基坑寬度36m。

基坑開挖共分為四級，分別為3.4m、3m、2.5m和1.5m?；娱_挖邊界與防滲墻間距離y方向(橫河)平均為10m、x方向(順河)為3m?；娱_挖過程中采用集水井進行抽排工作降低地下水水位?；娱_挖與防滲墻相對位置如圖1所示。該水閘地層巖性主要包括淤泥質(zhì)黏土、砂壤土、粉質(zhì)黏土、黏土和少量中細砂，其中前三種厚度不大，分別為4.0m、3m和3.4m，以下土層為黏土、中細砂和粉質(zhì)黏土的混合結(jié)構(gòu)。

圖1 水閘基坑與防滲墻幾何模型

2 計算工況與計算模型

考慮計算區(qū)域模型x、y、z方向尺寸分別為198m、122m和50m，建立三維計算模型，單元類型為C3D8P，共22815個單元，如圖2所示。假定地下水水位主要集中在y方向兩側(cè)，且與地表齊平，設置為第一類水力邊界條件；四周為法向約束條件，底部為三向約束條件?；娱_挖x、y方向尺寸為30m和42m，分四級開挖。基坑土體分為四層，采用摩爾庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型，防滲墻采用理想彈性模型，為C25混凝土，計算參數(shù)見表1。

數(shù)值模擬計算的步驟：首先進行防滲墻存在情況下包含孔隙水壓力的初始地應力場平衡，然后進行四級基坑開挖計算，在此過程中每進行一級開挖，基坑的表面區(qū)域均設置為第一類排水邊界條件。

圖2 有限元網(wǎng)格

表1 三維模型計算參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

從圖3和圖4可以看出，開挖完成后，以y軸正向為正北方向，基坑底部的南部、東部和西部出現(xiàn)了一定范圍的拉應力區(qū)，而北部沒有出現(xiàn)；基坑的底部中間和中上部約束效應最小，因此應力釋放較明顯。地下水水位在集水井抽排的作用下有了明顯的降低。

從圖5可以看出，基坑開挖完成后，x方向基坑的最大位移出現(xiàn)在基坑的東西方向下部，西部的水平位移最大值為4.398cm，東部的水平位移最大值為4.367cm。y方向基坑的最大位移出現(xiàn)在基坑的中下部，由于兩側(cè)防滲墻距離基坑不一致，導致最大位移有一定差別，北部的水平位移為5.391cm，南部的水平位移為5.063cm。

圖3 基坑開挖完成后最大和最小主應力云圖

圖4 基坑開挖完成后孔隙水壓力云圖

圖5 基坑開挖完成后x、y方向位移云圖

圖6 基坑分步開挖完成后z方向位移云圖[(a)、(b)、(c)、(d)分別為1、2、3、4開挖步]

從圖6可以看出，隨著基坑開挖的進行，基坑底部位移逐漸增大，最終達到0.1m的數(shù)量級。從基坑中部取兩個水平方向(南北向和東西向，以北和東為基準)的位移作為監(jiān)測點進行位移監(jiān)測，如圖7所示。從圖中可以看出，東西向和南北向監(jiān)測斷面的的回彈值均呈現(xiàn)出中間大、兩側(cè)小的趨勢。開挖的深度越大，位移的增量越大?？拥鬃罱K回彈值最大為18.42cm，按照《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2009)的要求，該基坑應該按照支護級別最高的要求進行支護。

圖7 基坑分步開挖過程中基坑z方向南北向和東西向監(jiān)測斷面位移曲線

圖8 防滲墻結(jié)構(gòu)開挖過程中垂直河向位移云圖[(a)、(b)、(c)、(d)分別為1、2、3、4開挖步]

圖9 防滲墻最終最大主應力和最小主應力云圖

從圖8可以看出，隨著基坑開挖的進行，防滲墻結(jié)構(gòu)垂直河向位移逐漸變大，且逐漸下移，且主要集中在基坑周邊區(qū)域，最終防滲墻結(jié)構(gòu)的垂直河向位移最大值為4.42cm，位于南部防滲墻中部下方中間位置，屬于支護級別最高的要求。從圖9可以看出，在基坑開挖完成后防滲墻的頂部附近出現(xiàn)一定的拉應力區(qū)，最大值位于墻體轉(zhuǎn)折處，但應力值不大，為0.027MPa，最小主壓應力也出現(xiàn)在墻體頂部附近，最大主壓應力為0.67MPa，因此可以不用配筋即滿足要求。

4 小 結(jié)

計算結(jié)果表明，隨著基坑開挖進行，基坑底部的回彈位移逐漸增大，回彈值均呈現(xiàn)出中間大、兩側(cè)小的趨勢；防滲墻結(jié)構(gòu)垂直河向位移隨著基坑的開挖逐漸向結(jié)構(gòu)下方移動，自身結(jié)構(gòu)應力滿足要求。

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Analysisonfoundationpitexcavationsupportundertheinfluenceofdrainageboundaryconditions

LI Wenqi, CHEN Faxing

(HenanWaterConservancyandHydropowerSchool,Zhengzhou466001,China)

In the paper, domestic and foreign foundation pit excavation support methods and numerical simulation analysis application status quo are summarized. On the basis, the influence of different constitutive models, excavation release load at different directions and drainage boundary conditions on foundation pit excavation is discussed. Therefore, the practical condition of water sluice foundation pit is combined for numerical simulation analysis of seepage and stress coupling under continuous diaphragm wall support foundation pit condition.

foundation pit excavation; constitutive model; support; numerical simulation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.004

TV662

B

1005-4774(2017)011-0017-06