單梁支撐時不同開挖深度對基坑變形的影響

宗學才，侯付闖

(1.東營市水務局，山東 東營 257091；2.陜西中凱恒瑞工程項目管理有限公司，西安 710000)

0 引 言

進入21世紀，地下空間迎來了蓬勃發(fā)展的時代，在我國，隨著各大城市地鐵工程的不斷興建和中遠期發(fā)展規(guī)劃中的大量地鐵工程，深基坑勢必是地鐵車站興建時遇到的首建和難建工程。楊博維采用FLAC3D對不同支護條件的基坑開挖過程進行了過程開挖模擬，通過分析不斷開挖過程中的基坑頂部、底部和側壁位移變化，為實際工程的基坑開挖提供了支護建議[1]。陳榕等對廣泛應用于淤泥質軟土地區(qū)基坑開挖施工的側壁支護地下連續(xù)墻和底部施打水泥攪拌樁的支護方案的可靠性進行了數值模擬驗證，采用的數值分析軟件是FLAC3D，結果證明了該支護方案可安全保證淤泥質軟土地區(qū)的深基坑工程的開挖施工，并且客觀上驗證了FLAC3D可以用于基坑開挖變形的有效模擬軟件[2-3]。高濤等采用FLAC軟件對基坑開挖工程中的鋼梁支撐軸力大小進行了分析，結果表明FLAC可以用于基坑支撐結構變形研究的工具[4-6]。徐幫樹等為了驗證復合土釘墻支護基坑方案的有效性，采用FLAC3D有限差分軟件進行了模擬計算，對計算過程中的具體設置做了明確說明，詳細分析了基坑變形可能造成的各種構建的力學相應，指出在應用FLAC3D軟件進行該種復合支護方案的可靠性研究時在FLAC3D可以采用錨桿和土體相互作用的模型來近似模擬，計算精度較高，得出的結果可靠[7-8]。張璐等研究了基坑開挖導致的地表變形開裂對附近建筑構成的不利影響，指出了周邊建筑變形破壞的誘發(fā)因素，其主要采用FLAC進行計算分析[9-10]。劉賀等開發(fā)了一種神經網絡方法用于基坑的變形監(jiān)測，并成功運用于長春市火車站北廣場的深基坑開挖變形監(jiān)測中，所開發(fā)的方法主要是基于粒子群優(yōu)化算法[11]。

文章通過FLAC3D自帶的建模工具，構建了一個基坑開挖模型，同時采用梁結構單元對基坑上部進行加固支撐，設置好基本條件后，進行計算，獲得了基坑變形的位移云圖和鋼梁結構單元的軸力大小，得出隨著開挖深度的加大，這些關鍵穩(wěn)定指示參數的變化特征。

1 FLAC3D中梁體結構單元

FLAC3D有三種線性結構體，包括梁、錨索和樁[12]。梁結構體包括梁構件和梁節(jié)點，梁結構單元在建立完成后，需要對其彈性模量、泊松比(或體積模量、剪切模量)、橫截面積、y、z軸的慣性矩和極慣性矩進行設置。另外還有密度、塑性矩、熱膨脹系數等參數可供選擇設置。

2 模型構建

如圖1(a)、(b)所示，構建兩種基坑開挖深度的基坑模型，基坑開挖深度分別為2m、3m，基坑開挖寬度和長度一致，開挖寬度2m，開挖長度4m，基坑材料為土質材料，賦予其相應的土體材料參數。

(a)基坑開挖深度2m (b)基坑開挖深度3m

3 計算結果

本節(jié)集中討論兩種開挖深度條件下，支撐鋼梁的軸力和基坑側壁及底部的變形情況，通過比較兩種不同開挖深度條件下的鋼梁軸力和基坑主要位移區(qū)的變形大小，得出隨著開挖深度的不斷加大，各參數的變形規(guī)律。

3.1 基坑開挖深度為2m

基坑開挖2m時，單梁橫支撐的軸力云圖，如圖2(a)所示。可見，當基坑開挖深度為2m時，鋼梁橫支撐受到的軸力大小大約為968N，整個鋼梁受力均勻，未出現偏壓現象。當基坑開挖深度為2m時，基坑的側壁和底板的位移云圖如圖2(b)所示。由圖2(b)可知，該開挖深度條件下，未見側壁發(fā)生明顯位移，這說明設置的鋼梁橫支撐發(fā)揮了很好的作用，變形主要集中在基坑的底板位置，變形最大處位于基坑的底板中間部分，最大變形位移為0.0004835m，方向向上，表明底板有發(fā)生底鼓的危險，但是該最大位移值較小，說明在此開挖深度條件下，采用單梁支撐方案，基坑是安全的。

(a)鋼支撐軸力大小 (b)位移云圖

3.2 基坑開挖深度為3m

基坑開挖3m時，單梁橫支撐的軸力云圖，如圖3(a)所示。由圖所示軸力值可知，當基坑開挖深度為3m時，鋼梁橫支撐受到的軸力大小大約為3159N，相對于基坑開挖2m時的軸力大為增加，整個鋼梁受力均勻，未出現偏壓現象。當基坑開挖深度為3m時，基坑的側壁和底板的位移云圖如圖3(b)所示。由圖示位移值大小可知，該開挖深度條件下，側壁已出現明顯位移，側壁變形凸顯，但是在鋼梁橫支撐附近的變形較小，隨著與鋼梁橫支撐距離的不斷加大，側壁變形值不斷加大，在一定位置處達到極大值，隨后又逐漸減小，形成了以鋼梁支撐點為中心的變形圈云，這說明設置的鋼梁橫支撐發(fā)揮了很好的作用，較大變形主要集中在基坑的底板位置，變形最大處位于基坑的底板中間部分，最大變形位移為0.0007301m，方向向上，相比基坑開挖深度為2m時，最大變形位移明顯增大，表明底板有發(fā)生底鼓的危險，但是該最大位移值較小，說明在此開挖深度條件下，采用單梁支撐方案，基坑是安全的。

4 結 論

通過分析基坑不同開挖深度時，鋼梁橫支撐的受力情況和基坑邊墻的底板的變形特征，主要獲得以下3點有益結論：

1)隨著基坑開挖深度的不斷加大，設置在同一位置處的鋼梁橫支撐的軸力也隨之增大。

2)側壁位移變形將隨著開挖深度的加大而凸現，通過對變形較大處的分析可以確定下一根鋼梁橫支撐應設置的合理位置。

3)基坑開挖較易發(fā)生底鼓變形，且隨著開挖深度的增大，這種可能性也隨之提高。