深厚泥炭質(zhì)土中深基坑工程施工過程動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬分析

丁文云，郭永發(fā)

（中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明 650500）

1 引言

在城市地鐵及隧道建設(shè)中，內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)以受力均勻、不須占用坑外土地資源的特點(diǎn)，而備受工程設(shè)計(jì)人員的青睞。在巖土工程領(lǐng)域常用的數(shù)值計(jì)算方法主要有有限元法、邊界元法、有限差分法、離散單元法等方法[1]。而FLAC 3D 軟件是一種適用于巖土工程的三維顯式有限差分計(jì)算軟件，其不僅可以模擬巖土體材料的工程特性，還可以模擬巖土體介質(zhì)與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的相互作用。劉繼國等[2]采用FLAC 3D 軟件對(duì)武漢某深基坑進(jìn)行了開挖與支護(hù)模擬，得出了不同開挖階段的地表沉降、基底隆起和墻后土體水平位移；胡浩軍等[3]運(yùn)用FLAC 3D 軟件對(duì)北京市某高層住宅樓基坑工程開挖、失穩(wěn)破壞、邊坡支護(hù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；謝秀棟等[4]采用FLAC 程序進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了地鐵車站和基坑間距不同的情況下，坑周土層的變形特點(diǎn)。本文采用FLAC 3D 軟件對(duì)昆明某深厚泥炭質(zhì)土層中深基坑開挖過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬和分析，據(jù)此獲得了不同開挖階段土體的應(yīng)力狀態(tài)、地表沉降、坑底隆起、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，同時(shí)，也分析了基坑開挖距離對(duì)地表沉降及坑底隆起的影響。

2 工程概況

某隧道工程采用水中圍堰明挖法施工，從昆明滇池草海底部穿越，圍堰采取草海中填筑土石壩，壩頂寬63m，壩坡1∶2，隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)寬31.2m，兩側(cè)施工便道寬各約15m。基坑工程節(jié)段編號(hào)為AM20、AM21、AM22，共180m。采用φ850mm@600mm 的SMW 工法樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長31.5m，采用700mm×300mm×13mm×24mm H 型鋼。支護(hù)樁頂部采用1200mm×800mm 的鋼筋混凝土冠梁連接。采用三排對(duì)撐，第一排為800mm×700mm 鋼筋混凝土支撐，第二、第三排為φ609mm 壁厚16mm 鋼管支撐，鋼管支撐與坑壁采用鋼圍檁連接。

3 計(jì)算模型與參數(shù)的選取

3.1 計(jì)算模型

該基坑平面為狹長矩形，長180m，寬31.2m，坑深為13.6～11.2m。計(jì)算模型取長180m，寬91.2m，高50m。采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為1.5m，模型共劃分446 520 個(gè)單元，生成了465 858 個(gè)節(jié)點(diǎn)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用pile 單元來模擬，支撐采用beam 單元模擬。基坑工程在計(jì)算范圍內(nèi)土層經(jīng)概化后共分為10 層；基坑開挖范圍內(nèi)設(shè)有3 道支撐，共有7 個(gè)工況，1、3、5、7 工況為開挖工況，根據(jù)實(shí)際施工開挖過程，開挖工況共分為37 個(gè)工序進(jìn)行開挖。通過三維有限差分軟件FLAC 3D 計(jì)算分析樁土相互作用下不同開挖工序土體的應(yīng)力狀態(tài)、地表沉降、坑底隆起、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形情況。

3.2 參數(shù)的選取

本文采用摩爾-庫侖彈塑性模型進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)于摩爾-庫侖彈塑性模型其巖土體材料參數(shù)主要有：土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，彈性模量E，泊松比μ，抗拉強(qiáng)度σt及剪脹角ψ。在基坑開挖范圍內(nèi)共有3 個(gè)節(jié)段，每個(gè)節(jié)段選取1 個(gè)鉆孔來反映該節(jié)段內(nèi)的土層分布情況，3 個(gè)鉆孔之間的土層分布用直線連接來反映沿基坑方向的土層變化情況。各節(jié)段鉆孔巖土體材料參數(shù)取值如表1 所示。

表1 巖土體材料參數(shù)表

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 坑周土體沉降及坑底隆起分析

在經(jīng)過地質(zhì)土、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系概化，土層與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用分析及參數(shù)合理化分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基坑工程施工過程動(dòng)態(tài)模擬分析。基坑開挖共分為4 個(gè)開挖工況，每個(gè)開挖工況又有多個(gè)開挖土塊；各開挖工況的開挖土塊數(shù)如下：工況1 為1 個(gè)，工況3 為13 個(gè)，工況5 為14 個(gè)，工況7 為16 個(gè)。工況1 的1 個(gè)土塊為1 次開挖；工況3 的13 個(gè)土塊根據(jù)實(shí)際的開挖時(shí)間和開挖順序從左至右分13 次開挖，每次開挖1 個(gè)土塊；工況5 與工況7 開挖時(shí)按照實(shí)際施工情況同時(shí)、交叉對(duì)應(yīng)開挖。圖1 列舉了工況5 與工況7 同時(shí)開挖時(shí)某一工序下的豎向應(yīng)力云圖；圖2 為基坑開挖到坑底時(shí)的豎向應(yīng)力云圖。

圖1 工況5 左起第7 塊土塊與工況7 左起第3 塊土塊同時(shí)開挖后豎向位移云圖

圖2 開挖至坑底時(shí)豎向位移云圖

通過對(duì)各工況模擬結(jié)果豎向應(yīng)力云圖分析，從工況1、工況3、工況5 及工況7 的模擬結(jié)果可以看出，基坑開挖后坑周土體的沉降量與坑底土體的隆起量隨各土塊的開挖是動(dòng)態(tài)變化的，而且其影響范圍在一個(gè)相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)。

基坑開挖第1 工況后（開挖深度為2.4m），坑周土體產(chǎn)生了沉降，坑底產(chǎn)生了隆起；最大沉降量為8.47mm，最大隆起量為3.56mm。從第3 工況開挖第1 塊土塊到開挖最后一塊土塊，地面同一點(diǎn)的沉降隨著開挖工序進(jìn)行逐漸增大；同時(shí)，坑底同一點(diǎn)的隆起也隨開挖工序的進(jìn)行逐漸增大。坑周土體的最大沉降量從工況1 的8.47mm 逐漸增大到工況3 的66.98mm；坑底土體的隆起量從工況1 的3.56mm逐漸增大到工況3 的25.84mm。

對(duì)于工況3，坑周土體（沿基坑方向10m 處）的沉降量從開挖第1 塊土塊時(shí)約15mm，到開挖到第6 塊土塊（沿基坑方向約85m）開挖后沉降約60mm，且隨工序逐漸增大。而坑底隆起量在開挖第1 塊土塊時(shí)約為13mm，而到開挖第5 塊土塊(沿基坑方向約73m)時(shí)約為24mm。由這些分析可知，在深厚泥炭質(zhì)土中基坑開挖距離對(duì)地表沉降的影響范圍約為75m（5～6 倍的基坑開挖深度），而對(duì)坑底隆起的影響范圍約為63m（4～5 倍的基坑開挖深度）。在同一開挖工況中，坑底隆起量從左至右逐漸變小，這主要有2 方面的原因：（1）土層層厚的變化；（2）從左至右基坑開挖深度由深變淺。這導(dǎo)致了坑底隆起量的不均勻分布。

對(duì)于工況5 及工況7 采用同時(shí)、交叉對(duì)應(yīng)開挖，其影響范圍不易確定。但從模擬結(jié)果來看，基坑周圍土體的沉降量及坑底土體的隆起量是隨著開挖的進(jìn)行逐漸增加的，其增加的速度比第3 工況小。主要由2 方面的原因引起的：（1）第3 工況的開挖深度（4.8m）比第5、第7 工況的開挖深度（均為3.5m）大；（2）第3 工況開挖的土層主要為泥炭質(zhì)土，第5、 第7 工況開挖的土層主要為黏土與粉土。基坑開挖到坑底時(shí)，坑周土體的沉降量最大為102.9mm，坑底土體的隆起量最大為31.4mm。

4.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，選取具有代表性的鉆孔進(jìn)行深層水平位移對(duì)比分析，充分反映了模擬過程中樁身位移在各工況下沿樁長方向的變化量。通過與對(duì)應(yīng)工況實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析；可在一定程度上反映所選用的FLAC 3D 軟件分析計(jì)算是否合理，土層與支護(hù)結(jié)構(gòu)概化、土體本構(gòu)模型的選用是否正確。鉆孔AM20CX1、AM21CX6 的計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比分析圖如圖3、圖4 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)AM20CX1 計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖

如圖3 所示，通過對(duì)比分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)AM20CX1 工況3、工況5 及工況7 的監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值，可以看到工況3 的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果沿深度方向的擬合效果非常好；工況5 的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果沿深度方向的擬合效果在樁長15m 范圍內(nèi)非常好，而超過15m 之后計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果偏大；工況7 的計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)結(jié)果沿樁長0～10m 范圍偏大，而在沿樁長10～20m 范圍偏小，計(jì)算的深層水平位移曲線的峰值比實(shí)測(cè)深層水平位移曲線的峰值向左平移了1.5m。總體來看，監(jiān)測(cè)點(diǎn)AM20CX1 的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)是一致的。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)AM21CX6 計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比圖

如圖4 所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)AM21CX6 深層水平位移變化情況。工況5 與工況7 的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合得非常好；工況3 沿樁長10m 范圍內(nèi)的深層水平位移計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合得非常好，而10m 以外，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致，但存在一定的誤差。各工況計(jì)算結(jié)果的峰值大小及相對(duì)位置與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相同。

通過對(duì)比分析各節(jié)段各鉆孔的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，說明模型的建立與實(shí)際情況相對(duì)吻合，可以此為基準(zhǔn)對(duì)本基坑工程的其他節(jié)段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)實(shí)際施工。

5 結(jié)語

通過對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，從坑周土體沉降、坑底隆起及計(jì)算結(jié)果綜合分析的結(jié)果來看，采用FLAC 3D 軟件實(shí)現(xiàn)基坑工程施工過程動(dòng)態(tài)模擬分析有一定的意義，可為同類工程的設(shè)計(jì)與施工提供一些有價(jià)值的參考。對(duì)于土層變化不大的狹長明挖隧道基坑工程，可以采用分節(jié)段數(shù)值計(jì)算分析，并以此為基準(zhǔn)對(duì)后期的節(jié)段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)，對(duì)實(shí)際施工具有重要意義。