瑞豐大酒店停車庫(kù)基坑變形數(shù)值模擬

徐沛 XU Pei

（皖新文化產(chǎn)業(yè)投資（集團(tuán)）有限公司，合肥 230000）

1 工程概況

1.1 基坑周邊環(huán)境情況

基坑?xùn)|側(cè)距支護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線約1.5m～7.5m為現(xiàn)狀河道（水位標(biāo)高2.8m，河床標(biāo)高0.8m）。基坑南側(cè)為塘河北路，距支護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線約2m為高壓配電柜，約8m為200給水管（埋深1.0m），約10m為用地紅線。基坑西側(cè)為安陽(yáng)路，中部距支護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線約2.7m為用地紅線，約2.2m為380伏電力電纜。基坑北側(cè)為公園綠地，距基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外邊線＞5m為施工堆場(chǎng)。周邊環(huán)境現(xiàn)狀詳見(jiàn)圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，基坑開(kāi)挖深度影響范圍內(nèi)的土層自地面往下分別為：①雜填土：全場(chǎng)均有分布，層厚1.3～3.80m；①粘土：各孔均有分布，層厚0.9～1.80m；②1淤泥：全場(chǎng)均有分布，厚度11.50～14.10m；②2淤泥：全場(chǎng)均有分布，厚度6.90～13.00m；③2粘土：全場(chǎng)均有分布，厚度6.80～13.90m。各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

勘察期間觀測(cè)得潛水穩(wěn)定水位埋深為1.60～2.00m，初見(jiàn)水位埋深略低于穩(wěn)定水位，地下水水位最大變幅為0.50～1.00m。

1.3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)概況

綜合開(kāi)挖深度、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境情況，本工程采用鉆孔灌注樁（900@1200，樁長(zhǎng)29m）加三道混凝土內(nèi)支撐（700×800）的支護(hù)形式。具體的維護(hù)結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置圖

具體每次開(kāi)挖深度和支撐埋深如表2所示。

表2 基坑開(kāi)挖深度一覽表

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

本文在計(jì)算時(shí)采用如下幾個(gè)基本假定[1-3]：

①基坑開(kāi)挖一般屬臨時(shí)性工程，工期較短，故按不排水條件進(jìn)行總應(yīng)力分析；

②土體彈塑性本構(gòu)關(guān)系采用M-C彈塑性模型；

③基坑開(kāi)挖以前鉆孔灌注樁施工引起的土體原始應(yīng)力的改變不予考慮，土體的初始應(yīng)力假定為靜止土壓力。

2.2 計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

考慮到基坑的深度及開(kāi)挖影響范圍，本文在模擬時(shí)，選取模型尺寸為：高50m，長(zhǎng)500m，寬100m。

根據(jù)勘察報(bào)告，在模擬時(shí)土體分為5層，土體采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體減縮積分單元（C3D8R）來(lái)模擬，鋼筋混凝土支撐、鉆孔灌注樁也采用相同的單元來(lái)模擬。土體的單元尺寸為3m，樁體及支撐的單元尺寸均采用1m。整個(gè)模型的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

2.3 樁與土的相互作用

本文通過(guò)設(shè)置樁與土的接觸面保證沿法向不發(fā)生相互嵌入和重疊現(xiàn)象，同時(shí)在接觸點(diǎn)對(duì)上滿足法向正壓力大小相等，方向相反，并采用庫(kù)侖摩擦定律來(lái)模擬樁與土的相互作用[4，5]。

法向力計(jì)算所采用的本構(gòu)模型為[6]：

式中：P為接觸壓力，h為相對(duì)滑移，c為初始接觸間距，P0為特征接觸力當(dāng)h=0時(shí)，P=P0。

當(dāng)接觸面張開(kāi)時(shí)，接觸壓力為0，隨著樁與土之間相互擠壓，接觸壓力逐漸增大，且呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。采用這種本構(gòu)模型，可以即模擬了鉆孔灌注樁與土體之間的非線性接觸，又提高了計(jì)算效率。

對(duì)于切向相互作用，采用庫(kù)倫摩擦定律來(lái)模擬，當(dāng)接觸面處于靜摩擦范圍時(shí)，切向力 與剪應(yīng)變 成正比，當(dāng)接觸面滑動(dòng)時(shí)，其中 為摩擦系數(shù)。

在ABAQUS中可以通過(guò)定義接觸面，并設(shè)置接觸面屬性來(lái)模擬樁與土的這種作用。在模擬時(shí)，將鉆孔灌注樁面定義為主動(dòng)面，土體面為被動(dòng)面[7，8]。

2.4 開(kāi)挖過(guò)程模擬

本文采用多個(gè)荷載步來(lái)模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，擬采用八個(gè)荷載步來(lái)模擬整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程。

第一步地應(yīng)力平衡。目的是，通過(guò)該步驟建立開(kāi)挖之前的初始應(yīng)力狀態(tài)[9]。

第二步重新激活接觸面，移除土體單元到0.95m，實(shí)現(xiàn)第一次土體開(kāi)挖模擬。

第三步激活第一層支撐單元，實(shí)現(xiàn)第一道支撐模擬。

第四步移除土體單元到5.15m，實(shí)現(xiàn)第二次土體開(kāi)挖模擬。

第五步激活第二層支撐單元，實(shí)現(xiàn)第二道支撐模擬。

第六步移除土體單元到9.15m，實(shí)現(xiàn)第三次土體開(kāi)挖模擬。

第七步激活第三層支撐單元，實(shí)現(xiàn)第三道支撐模擬。

第八步移除土體單元到11.45m，實(shí)現(xiàn)第四次土體開(kāi)挖模擬。

3 基坑變形分析

3.1 鉆孔灌注樁側(cè)向水平位移分析

基坑在第一步開(kāi)挖后的鉆孔灌注樁水平位移實(shí)測(cè)值和有限元計(jì)算值如圖4所示，從圖中可以看出：計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化規(guī)律相似，最大位移數(shù)值也想吃不大，這說(shuō)明有限元模型建立的比較準(zhǔn)確。從圖中可以看出，相對(duì)于實(shí)測(cè)值，有限元值更加光滑，這是由于實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)所受外部影響因素更多，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程必然會(huì)有一點(diǎn)的偏差。總體來(lái)說(shuō)，有限元結(jié)果基本能反應(yīng)實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程，采用才模型進(jìn)行此基坑模擬具有可行性。

圖4 第一步開(kāi)挖后支護(hù)樁水平位移隨深度變化圖

圖5為不同開(kāi)挖步時(shí)支護(hù)樁A水平位移隨深度變化圖，從中可以看出，水平位移增加速率均比較均勻，這是由于此基坑開(kāi)挖都是開(kāi)挖一段，支撐一段。當(dāng)開(kāi)挖深度為0.95m時(shí)，水平位移近似直線分布，最大水平位移位于樁頂處，為5.8mm，樁基處于懸臂狀態(tài)，隨著深度增大，側(cè)向水平位移逐漸減少，到25m處減少為0。當(dāng)開(kāi)挖深度為5.15m處時(shí)，水平位移由直線發(fā)展為上凸型，樁基最大位移為18mm，深度約為5.5m處。隨著開(kāi)挖深度的增大，樁基的最大水平位移逐漸增大，但開(kāi)挖深度為9.15m時(shí)，最大位移值為24.5mm，當(dāng)開(kāi)挖深度為11.45m時(shí)，最大位移值為34.9mm。同時(shí)，最大位移發(fā)生的深度也逐漸增大，開(kāi)挖深度由9.15m增大到11.45m時(shí)，最大位移的深度由8.5m逐漸增大到10.5m處。與最大位移不同，樁頂位移增加幅度不大，說(shuō)明樁頂支撐有足夠的剛度。

圖5 不同開(kāi)挖步時(shí)支護(hù)樁A水平位移隨深度變化圖

3.2 樁頂側(cè)向水平位移分析

圖6為不同開(kāi)挖步時(shí)圍護(hù)樁頂水平位移曲線，從圖中可以看出，有限元結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差不大，進(jìn)一步說(shuō)明了本文模擬結(jié)果的正確性。

圖6 不同開(kāi)挖步時(shí)支護(hù)樁頂水平位移圖

當(dāng)基坑開(kāi)挖到0.95m，圍護(hù)樁頂出現(xiàn)了向基坑坑內(nèi)的位移，數(shù)值為4mm。隨著施工的進(jìn)行，樁頂?shù)乃轿灰浦饾u增大，第1～4施工步完成后，樁頂?shù)奈灰品謩e為7mm、13mm、17mm、18mm，這些數(shù)值都比較小，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

①相對(duì)于實(shí)測(cè)值，有限元值更加光滑，這是由于實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)所受外部影響因素更多，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程必然會(huì)有一點(diǎn)的偏差。

②當(dāng)開(kāi)挖深度為0.95m時(shí)，水平位移近似直線分布，最大水平位移位于樁頂處，為5.8mm，樁基處于懸臂狀態(tài)，隨著開(kāi)挖深度的增大，樁基的最大水平位移逐漸增大，同時(shí)，最大位移發(fā)生的深度也逐漸增大。

②當(dāng)基坑開(kāi)挖到0.95m，圍護(hù)樁頂出現(xiàn)了向基坑坑內(nèi)的位移，數(shù)值為4mm。隨著施工的進(jìn)行，樁頂?shù)乃轿灰浦饾u增大，第1～4施工步完成后，樁頂?shù)奈灰品謩e為7mm、13mm、17mm、18mm，這些數(shù)值都比較小，滿足規(guī)范要求。

④深基坑工程是一項(xiàng)投入較多的臨時(shí)性工程，其資金、工期投入都比較多，同時(shí)基坑工程風(fēng)險(xiǎn)性也很大，一旦工程失敗，可能造成惡劣后果，因此必須科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)施工。信息化施工是一種科學(xué)、可行的方法，他不斷的根據(jù)基坑的開(kāi)挖過(guò)程動(dòng)態(tài)判斷基坑的安全性，可以確保基本本身及周邊建筑安全。