河道開挖對周邊土體影響的數(shù)值分析

劉建元 邱 超

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 概述

河道開挖工程對臨近建筑物和周邊土體有著重要的影響，開挖過程中，周邊土體會向河道方向產(chǎn)生位移，如果不加以控制，會導(dǎo)致周邊土體失穩(wěn)而發(fā)生工程事故，因此河道開挖一直是工程界研究的熱點問題之一[1-3]。

研究表明，河道開挖引起的周圍地表變形及建筑物的沉降是多種因素作用的結(jié)果。由于數(shù)值分析能夠更加真實的反映近些年來，數(shù)值模擬與工程監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式已經(jīng)在各種工程中推廣，其結(jié)果對工程實踐有重要的指導(dǎo)意義。郭星宇[4]運用數(shù)值模擬的方法研究了河道開挖對周圍建筑的影響;邱超等[5]研究了河道開挖對臨近橋墩樁基的影響；周晉[6]運用巖土工程分析軟件Plaxis分析了基坑開挖對臨近建筑物及地下水的影響。以往研究大多以基坑開挖對周圍環(huán)境的影響為研究對象，而對河道開挖對周邊土體的影響的研究相對較少。

本文以河道開挖實際工程為背景，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反演得到土體的本構(gòu)關(guān)系參數(shù)，運用Abaqus數(shù)值分析軟件研究了河道開挖對周圍土體變形的影響，對土體變形作了初步的預(yù)估。為以后的實際工程提供借鑒。

2 河道開挖橋墩影響的數(shù)值分析

2.1 模型的建立

河道開挖對周邊土體的影響模擬，可以結(jié)合現(xiàn)場觀測試驗進(jìn)行對比反演，地質(zhì)資料主要參照該工程的地勘報告。考慮到現(xiàn)場觀測試驗段河道相對順直，河岸斷面性狀呈線性特征，采用平面應(yīng)變進(jìn)行分析。建模尺寸為：土層總厚度(模型Y方向)取為53 m，寬度(模型X方向)取為120 m。

模型采用標(biāo)準(zhǔn)約束形式，水平方向僅約束其相應(yīng)的水平位移，底部采用固定約束，約束其豎向及水平向位移。

土體采用實體單元C3D8來模擬，并考慮計算成本和精度要求合理的劃分網(wǎng)格，在靠近河道處的土體采用較細(xì)的網(wǎng)格劃分以保證所關(guān)注計算區(qū)域的計算精度。

2.2 巖土參數(shù)敏感性分析

為了合理的反映土體應(yīng)力應(yīng)變的非線性，計算區(qū)域內(nèi)的土采用改進(jìn)的Mor-Colomb彈塑性本構(gòu)模型。為了能獲得相對準(zhǔn)確的巖土參數(shù)，以便對數(shù)值計算結(jié)果與觀測值進(jìn)行合理性比較，有必要先對地層巖土參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

敏感性分析是在保持計算模型其他參數(shù)不變條件下，求解變量參數(shù)的敏感系數(shù)ηSR，分析變量參數(shù)對計算結(jié)果的影響程度。計算公式如下：

(1)

式中：x——參數(shù)初始輸入值；

xL，R——參數(shù)輸入變量值；

f(x)——初始輸入值對應(yīng)的計算結(jié)果；

f(xL，R)——變量值對應(yīng)的計算輸出結(jié)果。為了計算敏感系數(shù)，輸入變量xL，R在全部的2N+1個計算內(nèi)獨立變化；

N——所考慮參數(shù)變化的數(shù)量。

本工程河道開挖揭露及下臥土層主要為黏土、淤泥、細(xì)圓礫土，根據(jù)M-C模型的參數(shù)特性，主要分析粘聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比四個參數(shù)，參數(shù)基準(zhǔn)參照巖土力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計表，參數(shù)變幅取值20%。

模型區(qū)域水平變形的巖土參數(shù)敏感系數(shù)由高到低分別為淤泥的粘聚力(ηSR=37.2%)、淤泥的內(nèi)摩擦角(ηSR=22.6%)、淤泥的彈性模量(ηSR=21%)、淤泥的泊松比(ηSR=15.4%)；豎向變形的巖土參數(shù)敏感系數(shù)由高到低分別為淤泥的泊松比(ηSR=43%)、淤泥的粘聚力(ηSR=19.6%)、淤泥的內(nèi)摩擦角(ηSR=13.9%)和淤泥的彈性模量(ηSR=13.8%)、黏土的泊松比(ηSR=6.4%)，其余參數(shù)影響不大。

2.3 模擬工況

工程建設(shè)范圍內(nèi)對鐵路的影響主要為河道開挖的施工過程。有限元分析結(jié)合河道實際開挖過程，共分4個步驟進(jìn)行分析：

Step1:初始地應(yīng)力計算，形成初始自重應(yīng)力場并確保初始位移接近于0;

Step2(Remove1):開挖1.8 m;

Step3(Remove2):繼續(xù)開挖2.0 m;

Step4(Remove3):繼續(xù)開挖1.5 m。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 周邊土體的位移

河道第一級開挖產(chǎn)生的最大地層水平、豎直變形分別為1.0 mm和3.3 mm；第二級開挖產(chǎn)生的變形分別為1.7 mm和6.4 mm；第三級開挖(至河底)產(chǎn)生的變形分別為2.1 mm和8.4 mm。可見，隨著開挖深度加大，近河道位置的應(yīng)力消散作用更加顯著，地層變形逐漸增加。

表1給出了開挖到河底高程時，不同距離的地層水平位移隨基礎(chǔ)埋深的關(guān)系。在地表位置，距離開挖堤頂邊距10 m位置產(chǎn)生的水平位移為-1.16 mm(負(fù)號表示朝著河道方向)，40 m位置的水平位移為-1.02 mm，60 m時為-0.60 mm。而在堤頂邊距40 m位置的豎直方向，從地表到30 m埋深的地層水平位移由-1.02 mm降到了-0.55 mm。可見，開挖卸荷對地層的影響隨著距離、埋深的增加，影響程度逐漸減小。

表1 第三級開挖后(開挖至河底)的地層水平位移隨基礎(chǔ)埋深的關(guān)系

3.2 仿真結(jié)果合理性分析

圖1為第三級開挖階段的地表沉降觀測值與計算值的關(guān)系曲線。圖1中計算結(jié)果的數(shù)值點與實際觀測點位置相同。分析兩者數(shù)據(jù)可知，雖然觀測數(shù)據(jù)相對離散，其原因可能主要與現(xiàn)場條件復(fù)雜和設(shè)備的機(jī)械誤差有關(guān)，但理論計算值與觀測值的總體規(guī)律基本一致，而且沉降變形計算值基本能反映實際情況。

圖2為第三級開挖測斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算值的關(guān)系。由圖2可知，實際開挖最大水平位移1.0 mm，埋深21.5 m左右，而理論計算最大值為1.0 mm，出現(xiàn)位置土層埋深15.5 m左右。由此可見，水平變形方面理論計算值與實際測量值數(shù)值基本一致，最值的出現(xiàn)位置相近。

4 結(jié)語

1)河道開挖工程量較大，在河道開挖過程中，由于受原狀土開挖影響，原始地基應(yīng)力得到釋放和重新分布，使得河道和周邊一定范圍內(nèi)的土體受到不同程度的影響。總體上看，土體水平位移和沉降量的量級較小(均為mm級)，且距離河道邊線的距離越遠(yuǎn)，土體變形越小。

2)河道周邊常見淤泥層，該層土呈流塑狀，具有高壓縮性，土體性能較差，開挖過程中對土體的穩(wěn)定性較為不利，在河道開挖工程中應(yīng)予以重視。

3)因缺乏數(shù)值模擬的相應(yīng)本構(gòu)參數(shù)的試驗值，本次分析主要結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析和反演分析，理論計算值與監(jiān)測值大體相當(dāng)，能有效反映施工引起的地層整體變化規(guī)律。

4)根據(jù)實際監(jiān)測和數(shù)值分析可知，開挖卸荷對底層的影響隨著距離、埋深的增加，影響程度逐漸減小。在45 m堤邊距位置，地表的水平變形和沉降量分別為-0.92 mm和1.13 mm。