蘭州某深基坑開挖支護(hù)數(shù)值模擬分析★

李世忠，高立飛，溫 鵬，任永忠

(1.甘肅建投土木工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

1 概述

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，深基坑工程逐步向密集型擴(kuò)展?；又苓叚h(huán)境的復(fù)雜性和區(qū)域性也逐步凸顯。學(xué)者們對(duì)深基坑開挖支護(hù)等方面進(jìn)行了大量的研究。

關(guān)于基坑變形控制方面：鄭剛[1]提出將軟土地區(qū)的基坑變形及對(duì)環(huán)境影響的控制劃分為“基于基坑支護(hù)體系的變形控制”和“基于鄰近基坑保護(hù)對(duì)象的變形控制”兩類方法。楊小康等[2]以深圳市某深基坑支護(hù)工程為例，結(jié)合工程概況、地質(zhì)情況和周邊環(huán)境，分別從自身因素和環(huán)境因素兩個(gè)角度進(jìn)行了分析與評(píng)估。李衛(wèi)華等[3]利用模糊綜合評(píng)判法，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)某地鐵基坑工程發(fā)生地下連續(xù)墻滲漏事故時(shí)和采取有效搶險(xiǎn)措施后的情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。

關(guān)于基坑穩(wěn)定性方面：譚廷震等[4]探討了機(jī)構(gòu)優(yōu)化概念與塊體剪流組合機(jī)構(gòu)的構(gòu)造，總結(jié)了不同塊體剪流組合上限機(jī)構(gòu)的適用條件。張宏等[5]依托呼和浩特市在建地道與在建地鐵2號(hào)線“十”字交叉工程，通過數(shù)值模擬和實(shí)測監(jiān)控對(duì)比分析，研究地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程對(duì)上跨地道基坑穩(wěn)定性影響規(guī)律。周海祚等[6]通過數(shù)值模擬研究了傾斜支護(hù)樁在基坑開挖過程中變形到破壞的全過程，分析了傾斜角、插入比以及土體強(qiáng)度對(duì)安全系數(shù)的影響；推導(dǎo)了基坑傾斜樁支護(hù)的抗傾覆與整體穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算方法，并與離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

關(guān)于基坑數(shù)值分析方面：劉維正等[7]采用有限元軟件PLAXIS 3D對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。顏超等[8]研究了緊鄰深基坑既有建筑物改造與深基坑開挖之間的相互影響，通過大型有限元軟件對(duì)深基坑開挖和周邊既有建筑物“卸載-加載”改造進(jìn)行模擬，分析了同時(shí)進(jìn)行新建體育綜合體深基坑開挖和上海體育館“卸載-加載”改造兩者疊加工況下的相互影響。周杰等[9]以蘭州地鐵土門墩車站為工程背景，采用巖土工程分析有限元軟件Midas對(duì)該車站進(jìn)行了數(shù)值模型分析。

通過以上文獻(xiàn)查閱及總結(jié)，可知關(guān)于深基坑開挖的研究還需進(jìn)一步探索，由于基坑工程具有典型的區(qū)域性，不同的地質(zhì)、地層、周邊環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)其有很大的影響。為此本文以蘭州某深基坑工程為研究對(duì)象，采用PLAXIS 2D對(duì)上部土釘墻支護(hù)、下部樁錨支護(hù)的形式進(jìn)行受力變形及穩(wěn)定性分析，以期對(duì)相關(guān)的工程應(yīng)用提供參考。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

擬開挖深基坑工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)沙坪村，東側(cè)為B422號(hào)規(guī)劃道路，南側(cè)為B423號(hào)規(guī)劃道路，西側(cè)為已建的易大天地住宅小區(qū)，北側(cè)為原居民區(qū)?；又荛L約481.64 m。開挖深度為10 m～16.2 m。依據(jù)基坑開挖深度和周邊環(huán)境條件，擬采用的支護(hù)形式有土釘墻和上部土釘墻下部樁錨支護(hù)形式。由于土釘墻支護(hù)形式較為簡單，不作為重點(diǎn)研究。本文重點(diǎn)研究上部土釘墻，下部樁錨支護(hù)形式，其基坑開挖深度為16.2 m。基坑支護(hù)典型剖面圖如圖1所示。

2.2 地層特性

場地土主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石組成，自上而下分述如下：

表1 場地地層土體參數(shù)

根據(jù)初始地質(zhì)資料，對(duì)基坑的初始地應(yīng)力進(jìn)行簡化，垂直地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主。

3 數(shù)值分析模型的建立

3.1 模型的建立

采用PLAXIS 2D有限元分析軟件進(jìn)行深基坑支護(hù)分析。為了簡化計(jì)算，模型取二維平面應(yīng)變模型，單元節(jié)點(diǎn)采用15節(jié)點(diǎn)。為了減小模型邊界對(duì)分析結(jié)果的影響，模型尺寸取基坑開挖深度的2倍～5倍，模型水平X方向取70 m，豎直Y方向取56 m。

為了能夠較好地模擬土體變形和受力特性，土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變硬化(HSS)模型。土釘采用嵌入式樁單元(Embedded樁)模擬，該單元軟件提供了三種力學(xué)行為：樁、錨桿、注漿體，土釘選用錨桿力學(xué)行為，起始節(jié)點(diǎn)采用鉸鏈接合方式，這種方式能夠較好地模擬土釘端頭與混凝土面層之間的受力和變形?；炷撩鎸硬捎冒鍐卧Ｅ艠恫捎们度胧綐秵卧?Embedded樁)模擬，力學(xué)行為選擇樁，該單元能夠準(zhǔn)確地設(shè)置樁側(cè)摩阻力和樁端阻力。預(yù)應(yīng)力錨索的自由段采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元，錨固段采用嵌入式樁單元(Embedded樁)模擬，力學(xué)行為選擇注漿體。此外土體與結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)行為采用界面單元，該單元通過設(shè)置不同的界面強(qiáng)度折減因子Rinter來體現(xiàn)不同地層與結(jié)構(gòu)之間的受力變形關(guān)系。本文雜填土Rinter取0.65；粉質(zhì)黏土Rinter取0.75；卵石Rinter取1.0。

模型底部采用固定約束邊界條件，左、右兩側(cè)采用法向約束邊界條件，頂部采用自由邊界條件。該工程地層地下水埋深不在基坑開挖深度范圍內(nèi)及影響范圍之內(nèi)，故不考慮地下水的影響?；禹敳勘砻媸┘?0 kPa荷載。模型網(wǎng)格器粗細(xì)程度設(shè)置為“中等”，通過網(wǎng)格劃分，土單元數(shù)為2 187個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為18 069個(gè)，最大單元尺寸為2.93 m，最小單元尺寸為0.004 85 m。數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

土釘、混凝土面層、排樁、錨索自由段、錨索錨固段參數(shù)見表2～表6。

表2 土釘參數(shù)

表3 混凝土面層參數(shù)

表4 排樁參數(shù)

表5 錨索自由段參數(shù)

表6 錨索錨固段參數(shù)

3.2 開挖與支護(hù)過程的設(shè)置

在PLAXIS 2D分析軟件中將所有的分析劃分為5個(gè)模塊：土體、結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格、滲流條件和分階段施工。為此本工程的開挖與支護(hù)過程的模擬如下：

1)土體模塊：確定模型尺寸、設(shè)置地層分布、土體本構(gòu)模型的選擇及參數(shù)的輸入。

2)結(jié)構(gòu)模塊：土釘、錨索自由段、錨索錨固段、排樁、混凝土面層、坑頂荷載等設(shè)置。

3)網(wǎng)格模塊：網(wǎng)格粗細(xì)程度的設(shè)置、局部網(wǎng)格加粗，劃分網(wǎng)格、網(wǎng)格查看。

4)滲流條件模塊：本研究不考慮地下水的影響，故無任何操作。

5)分階段施工模塊：初始地應(yīng)力的生成、不同工況的劃分及求解參數(shù)的設(shè)置，計(jì)算結(jié)果的查看。

不同工況的劃分見表7。

表7 不同工況的劃分

4 模擬結(jié)果的分析

4.1 整體位移場分析

為了研究基坑在開挖過程中土體位移的變化情況，結(jié)合不同工況的劃分，選取了基坑開挖至-4.5 m,-8.6 m及16.2 m時(shí)的整體位移場云圖，如圖3所示。從圖3中可知，在基坑開挖過程中，基坑的最大位移發(fā)生在坑頂邊位置處，開挖至-4.5 m時(shí)其最大位移為12.49 mm，開挖至-8.6 m時(shí)其最大位移為35.11 mm，開挖至-16.2 m時(shí)其最大位移為77.19 mm。此外由于本文土體本構(gòu)模型采用的是HSS模型，相比采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型較好地反映了坑底的隆起特性。圖4為開挖過程中位移值隨開挖深度變化曲線。從曲線的整體發(fā)展趨勢來看，可分為三個(gè)階段：0 m～-7.3 m階段為線性增長，-7.3 m～-8.6 m階段為平緩期，-8.6 m～-16.2 m階段為線性增長。但第三階段的線性增長相對(duì)于第一階段較為平緩，這是由于支護(hù)體系的不同，第一階段為土釘墻支護(hù)，第三階段為樁錨支護(hù)體系，第二階段恰為兩種支護(hù)體系的過渡階段。此外水平位移和豎向位移的發(fā)展基本為同步。整體水平位移數(shù)值分析值略比監(jiān)測值小，但總體趨勢基本相同，監(jiān)測值在過渡階段中的平緩段更為明顯。

4.2 支護(hù)樁變形與受力分析

圖5為開挖過程中樁身水平位移值隨開挖深度變化曲線。該圖僅給出了開挖至-8.6 m～16.2 m時(shí)的樁身水平位移值，這是因?yàn)? m～-8.6 m深度時(shí)支護(hù)體系為土釘墻及土釘墻與樁錨支護(hù)的過渡階段，支護(hù)樁僅僅埋置于土體中未產(chǎn)生支擋作用，故不分析該階段。從整體來看，樁身最大位移均發(fā)生在樁頂位置處，其分別為17.52 mm,33.23 mm和47.95 mm。開挖至-16.2 m時(shí)樁身水平值增加量較大，此外樁身嵌固段位移相比于前兩階段較大，這是因?yàn)闃渡砬豆潭慰傞L為6.0 m，其中嵌固段一半埋置于粉質(zhì)黏土層中，一半埋置于卵石層中，這進(jìn)一步說明樁身的嵌固段對(duì)樁身整體位移的發(fā)展有較大影響，建議嵌固段至少進(jìn)入卵石地層的深度為嵌固總長一半之上，否則嵌固作用較弱。

圖6為開挖過程中樁身彎矩、剪力值等值線圖。從整體來看，隨著開挖深度的增加，樁身正彎矩逐步減小，負(fù)彎矩逐步增大，最后正彎矩基本處于嵌固段部位。樁身剪力也隨著開挖深度的增加和錨索預(yù)應(yīng)力的施加，逐步趨于平衡。

4.3 地表沉降分析

圖7為開挖過程中地表沉降量曲線圖。從圖7中可以看出，每步工況下地表沉降量的發(fā)展趨勢均相似，均為“單槽”型。與文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果一致。地表沉降量隨著基坑開挖深度的增加也逐步增加?；娱_挖至-16.2 m時(shí)達(dá)到峰值，其值為29.45 mm。依據(jù)GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范表8.0.4規(guī)定可知，針對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)的基坑周邊地表最大豎向位移為25 mm～35 mm。因此可知該工程滿足規(guī)范要求。同時(shí)可以看出，基坑地表豎向沉降影響范圍約30 m，基坑深度為16.2 m，即約為兩倍基坑深度的范圍。

4.4 基坑穩(wěn)定性分析

圖8是基坑整體穩(wěn)定性計(jì)算增量位移等值線圖。從圖中很明顯地可以看出滑動(dòng)面的形成并且已貫通。在土釘及預(yù)應(yīng)力錨索位置處位移增量有改變，尤其是在預(yù)應(yīng)力錨索的錨固段末端最為明顯。此外針對(duì)本工程滑動(dòng)面繞過支護(hù)樁樁底，由此說明通過增加嵌固段的樁長可以提高基坑的穩(wěn)定性。依據(jù)本工程特殊性及周邊環(huán)境，根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程第3.1.3條款確定本基坑工程安全等級(jí)為一級(jí)，其安全系數(shù)為1.35，通過穩(wěn)定性的計(jì)算，其安全系數(shù)fos=2.141。說明本基坑工程支護(hù)滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1)上部土釘墻、下部樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在開挖支護(hù)過程中，兩種不同的支護(hù)體系過渡過程中整體位移發(fā)展速率有所減小。

2)嵌固段深度對(duì)支護(hù)樁的水平位移有較大影響，建議嵌固段至少進(jìn)入卵石地層的深度為嵌固總長一半之上，否則嵌固作用較弱。

3)通過地表沉降分析，基坑地表豎向沉降影響范圍約為兩倍基坑深度的范圍內(nèi)。

4)通過基坑穩(wěn)定性的計(jì)算，滑動(dòng)面繞過支護(hù)樁樁底形成貫通的連通區(qū)，通過增加嵌固段的樁長可以提高基坑的穩(wěn)定性。本工程安全系數(shù)為2.14>1.35，滿足設(shè)計(jì)要求。