含管道基坑開(kāi)挖的數(shù)值模擬研究

孔繁慧

（陜西恒業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000）

1 工程概況

如圖1 所示，基坑的寬×深為30 m×20 m，選擇研究區(qū)域?qū)挕辽顬?00 m×100 m，研究區(qū)域?qū)捄蜕罘謩e約為基坑的7倍和5 倍，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)可知，基坑開(kāi)挖對(duì)此區(qū)域的受力和位移影響顯著，所以選擇此區(qū)域。

圖1 研究區(qū)平面圖 單位：m

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

選擇MIDAS GTS 對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行模擬，粉質(zhì)粘土、粉砂、雜填土和粘土選擇莫爾庫(kù)侖模型，基坑支護(hù)措施中格構(gòu)柱選擇1D梁?jiǎn)卧?，截面積為0.018 m2，扭轉(zhuǎn)常量Ix為9.24×10-7m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)為0.018 m，截面慣性矩（Iy和Iz）為7.8×10-4m4；地連墻選擇1D 梁?jiǎn)卧?，截面積為0.16 m2，扭轉(zhuǎn)常量Ix 為1.79×10-3m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)為0.20 m，截面慣性矩（Iy 和Iz）為8.5×10-3m4；立柱樁選擇1D 梁?jiǎn)卧?，截面積為0.50 m2，扭轉(zhuǎn)常量Ix為0.04 m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)為0.40 m，截面慣性矩（Iy 和Iz）為2.1×10-2m4；管道選擇1D桁架單元，截面積為0.16 m2，扭轉(zhuǎn)常量Ix為1.79×10-3m4，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)為0.20 m。

粉質(zhì)粘土、粉砂、雜填土和粘土統(tǒng)一按1 m 進(jìn)行混合四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以此保證節(jié)點(diǎn)傳遞力的均勻性，也可保證節(jié)點(diǎn)之間相互耦合。研究區(qū)域?qū)捄蜕罘謩e約為基坑的7 倍和5倍，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬試算可知，若分別增加基坑的寬度或深度，基坑周?chē)鷰r土體的受力和位移幾乎沒(méi)有變化，因此可認(rèn)為研究區(qū)域的邊界取值是合理的，數(shù)值模擬計(jì)算基坑平衡時(shí)停止。

數(shù)值模擬先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算，再對(duì)管道進(jìn)行析取賦值，繼而是圍護(hù)墻的施加，最后分別對(duì)基坑分五次進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖深度分別為2、6、4、4、4 m，開(kāi)挖深度的確定與周?chē)鷰r土體的性質(zhì)密切相關(guān)，每層開(kāi)挖結(jié)束后立即對(duì)開(kāi)挖區(qū)域進(jìn)行地連墻、立柱樁的施加。

2.2 模擬的結(jié)果

2.2.1 位移基坑開(kāi)挖后，周?chē)鷰r土體的位移如圖2所示。

圖2 基坑開(kāi)挖后圍巖位移云圖

如圖2（a）所示，水平位移最大數(shù)值為6.60 mm，主要集中于基坑開(kāi)挖右邊地面區(qū)域，此區(qū)域所占巖土體約2%，88%巖土體水平位移幾乎為0，說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷰r土體的水平位移影響較小。利用線上圖工具解析右邊地面最大位移為5.90 mm，越靠近右邊邊界區(qū)域，水平位移越小，此規(guī)律與實(shí)際一致，說(shuō)明數(shù)值模擬的有效性。

如圖2（b）所示，豎向位移最大數(shù)值為8.90 mm，主要集中于基坑開(kāi)挖右邊地面區(qū)域，此區(qū)域所占巖土體約4%，83%巖土體水平位移幾乎為0，說(shuō)明基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)鷰r土體的豎向位移影響也較小。利用線上圖工具解析右邊地面最大位移為3.50 mm，越靠近右邊邊界區(qū)域，豎向位移越小，此規(guī)律與實(shí)際一致，說(shuō)明數(shù)值模擬的有效性。基坑底部巖土體發(fā)生部分隆起（向上的豎向位移），隆起區(qū)域主要集中于基坑兩個(gè)角落，原因是開(kāi)挖導(dǎo)致基坑邊角處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

由圖2可知，基坑開(kāi)挖后巖土體的水平位移和豎向位移均不超過(guò)10 mm，此位移值控制在合理的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)基坑工程及周?chē)鷰r土體造成不良的影響。

2.2.2 管道受力

管道所受的軸力如圖3所示。

圖3 管道所受的軸力圖 單位：kN

如圖3所示，管道所受的軸力最大為750 kN，此區(qū)域所占管道約8%，此數(shù)值依然達(dá)不到管道所受軸力的極限值1 200 kN，因此可認(rèn)為管道的受力在可控的范圍內(nèi)，基坑開(kāi)挖不會(huì)對(duì)管道造成不良的影響。管道所受的軸力較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，一定程度上可以說(shuō)明基坑開(kāi)挖是成功的。

2.2.3 支護(hù)措施受力

基坑支護(hù)受力見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 支護(hù)措施所受軸力圖 單位：kN

圖5 支護(hù)措施所受彎矩圖 kN·m

由圖4 可知，隨著地層深度的增加，支護(hù)措施所受的軸力越大，立柱樁所受的軸力最大值為790 kN，隨著深度的減小，土樁樁所受的軸力也減小，因?yàn)槠淞σ驯桓駱?gòu)柱分擔(dān)；接觸界面所受的軸力最大值為1 400 kN，同樣主要集中于深度土層中；支撐所受的軸力呈現(xiàn)隨著深度增加，所受軸力逐漸增大的趨勢(shì)，即第四道支撐所受的軸力值最大，最大值為2 900 kN；由圖4可知，土層深度越大，支護(hù)措施所受的軸力越大，結(jié)合此受力值可將深層支護(hù)措施加強(qiáng)，同時(shí)減弱表層支護(hù)措施，以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。

第四道支護(hù)結(jié)構(gòu)中，第四道支撐所受最大彎矩值為1 800 kN·m，主要集中于支撐的邊角處，因?yàn)榇颂幰装l(fā)生應(yīng)力集中，進(jìn)而導(dǎo)致彎矩值增大，結(jié)合支撐結(jié)構(gòu)的彎矩極限值22萬(wàn)kN.m，可知支撐所受的最大彎矩值遠(yuǎn)小于支撐的極限彎矩，可認(rèn)為支撐是在正常的工作狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生彎矩破壞。

3 總結(jié)

結(jié)合一實(shí)際基坑開(kāi)挖工程，對(duì)開(kāi)挖后基坑、周?chē)鷰r土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)和管道的受力和位移進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：①基坑開(kāi)挖后周?chē)鷰r土體最大的水平位移和豎向位移分別是6.60 mm和8.90 mm，此數(shù)值均不超過(guò)10 mm，說(shuō)明基坑開(kāi)挖不會(huì)對(duì)周?chē)鷰r土體造成不良的位移影響；巖土體豎向位移大于水平位移，后期監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在于豎向位移；位移主要發(fā)生于坑底和右邊地表處，以上兩個(gè)區(qū)域是不良位移防治的重點(diǎn)。②管道所受軸力最大為750 kN，此值小于管道所受軸力的極限值，同時(shí)管道的受力較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，說(shuō)明管道的受力是合理的，不會(huì)對(duì)基坑開(kāi)挖工程造成隱患。③支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的軸力和彎矩均隨著深度的增加，受力逐漸增大，但是受力均控制在合理的范圍內(nèi)，均遠(yuǎn)小于材料的極限值，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料是滿足工程要求的，同時(shí)可適當(dāng)加強(qiáng)深層土體的支護(hù)，另外減小表層土體的支護(hù)，保證基坑安全開(kāi)挖的同時(shí)，達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)的目的。