支護參數對溝槽基坑位移變形敏感性的影響

崔飛飛,王振峰

(陜西國防工業職業技術學院,西安710300)

基坑工程的邊界條件及周圍環境越來越復雜,要求也越來越高,單純的定性分析已經無法滿足工程要求,尤其是在軟土埋藏較淺地段開挖基坑時,會極大增加土體的蠕變、失穩、不均勻變形等可能性,對基坑本身及場地周圍已有的建構筑物安全造成不利影響[1],因此需在實際工程中進行基坑開挖全程模擬,使力學分析由傳統的定性分析、半定量分析轉變為定量分析,找出不同參數變化對目標結果的影響[2]。

有限元分析具有動態且三維的模擬特點,可進行基坑開挖全程模擬,通過建立實際的工程模型,利用邊界條件、施工條件、力學參數的簡化,能夠準確得出支護結構不同參數變化時的基坑整體變形情況[3]。基坑抗傾覆、抗隆起、周邊沉降是影響安全性與結構性的重要評價指標[4],以某市政工程箱涵開挖為例,采用邁達斯有限元分析,研究多級放坡+鋼板樁+鋼支撐方案下結構參數變化對基坑整體變形的影響。參數變化如表1所示。

表1 多級放坡+鋼板樁與鋼板樁+鋼支撐試驗參數

1 有限元模型的建立

1.1 多級放坡開挖方式

多級放坡方案混凝土墊層厚度20 cm,采用C15混凝土,材料特性根據設計材料及現場工程經驗選取,開挖模擬步驟使用地應力分析生成初始應力場,開挖至基坑-5 m深,再開挖到-10 m深。

1.2 鋼板樁+鋼支撐開挖方式

鋼板樁采用FSP-Ⅳ型鋼板樁,型號為400×170,長度為18 m,鋼支撐采D609×16規格,鋼支撐間距為3.5 m。開挖模擬步驟使用地應力分析生成初始應力場,開挖至基坑-5 m深,激活拉森鋼板樁,再開挖至-10 m深。

1.3 基坑模型的建立

基坑最大開挖深度為10 m,模型Z方向取30 m,x、y方向根據實際工程情況取值,x方向取137 m,y方向取105 m,即模型尺寸為137 m×105 m×30 m。為了簡化模型的建立,原土層自上而下依次為素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土夾粉質黏土。建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型的建立

2 有限元模擬結果

2.1 不同方案下的深層水平位移

圖2、圖3給出了兩種方案下參數變化的深層水平位移曲線。通過圖2可以看出,改變基坑持力層參數及基坑寬度與深度,地表以下18 m的深層土體水平位移變化規律一致,均隨著深度的變化而逐步增大。基坑深度為5 m時,其水平位移在-6 m以上位置最大,但在-6 m深度以下,基坑的水平位移變化急劇減小,且小于其他參數的變化,說明改變基坑深度對基坑水平位移的影響相較于寬度與地質的改變影響大。對比B=30 m、10 m、3 m時,水平位移均在-6 m位置處有個拐點,通過對比同一深度下的水平位移發現,改變基坑寬度后,在-6 m以上位置深層水平位移會有較大的改變,在-6 m以下改變寬度對水平位移的影響漸小。而改變地質參數對于基坑深層水平位移在不同深度下的影響不會發生太大的變化。

圖2 多級放坡下的基坑深層水平曲線

圖3 鋼板樁+鋼支撐下的基坑深層水平曲線

通過圖3可以看出,鋼板樁支護不同方案下的深層水平位移曲線同樣在-6～-8 m存在拐點,水平位移在拐點處最大。對比C=19 kpa改變地質參數的情況看出,鋼板樁支護對水平位移有著明顯的影響,水平位移大小要遠小于原方案C=12 kpa的情況。對比基坑寬度B=30 m、10 m、3 m時看出,當減小基坑寬度后,在拐點以上位置處對水平位移影響不明顯,在拐點位置以下,位置寬度的減小能夠明顯減小水平位移大小,且寬度越小深層水平位移越小,說明寬度的改變對基坑深層位置處的影響較大,對地表位置處的影響較小。改變基坑深度,通過對比B=30 m及L=5 m的方案可以看出,基坑深度的減小能夠明顯減小不同深度下的基坑水平位移,與放坡開挖得出的規律一致。

2.2 不同方案下的應力

對模型的應力對比選取了縱向20 m的變化區間進行分析,通過有限元模擬兩種方案下的應力變形情況。圖4給出了不同方案下的C=12 kpa、φ=6°、B=30 m、L=5 m的應力變形云圖,其他云圖變化與圖4一致。通過對比發現,放坡開挖方案中,當基坑上部荷載與寬度、深度一致時,改變基坑底部持力層土層參數對基坑周邊地表沉降及坑底隆起位移大小影響不大,這是因為當基坑底部持力層承載力均滿足上部結構時,由于其受力面積一致,周邊位移僅受到上部荷載的作用,與改變下部結構無關。當持力層參數與基坑深度一定時,基坑底部隆起位移及周邊位移在一定范圍內均隨著基坑底部寬度的減小而增大,其在基坑縱向的影響變化不會隨寬度的改變而改變。改變基坑深度,對周邊位移影響較小,隨著深度的加大,坑底位移會變大。

圖4 不同方案下的應力變形云圖

對于拉森鋼板樁來說,通過改變支護方案對周邊底部及基坑隆起位移影響較大。改變基坑底部持力層土層參數對基坑周邊地表沉降及坑底隆起位移大小影響不大。改變基坑寬度,對周邊位移影響較小,隨著寬度的減小,基坑底部隆起逐步減小,當寬度為3 m時,可以看出,底部位移基本不會發生太大改變。降低基坑開挖深度能夠明顯減小基坑的隆起現象,當深度為10 m時,基坑30 m寬范圍內基本都會發生不同程度的變形,當深度為5 m時,基坑隆起現象基本發生在基坑中心附近,說明開挖條件允許情況下,適度減小基坑深度能夠有效避免基坑的鼓包現象。

2.3 支護參數改變對基坑穩定影響的敏感性對比

敏感性分析是分析系統穩定性的一種方法,參數敏感性分析方法包括單因素分析法與多因素分析法。單因素敏感性分析方法的原理是選定一個目標函數,使其中一個因數改變,假設其他因素恒定不變,對同一個目標值進行比較,通過比較因素變化時目標值的變化幅度,得到各個參數的敏感性大小。這種方法雖然直觀且計算過程簡單,但是假定其他因素在其中一個因素變化時是恒定的,這與實際工程不符[5]。為了減少實驗次數,采取單因素分析法進行多參數敏感性分析,建立實驗表方法挑選試驗條件,通過較少的試驗次數迅速找到最優方案,這是一種處理多因素優化參數敏感性分析的有效方法。

通過放坡開挖與拉森鋼板樁云圖的周邊地表及基坑底部隆起對比發現,當地質參數變化時,地質參數同為C=19 kpa、φ=10°、B=30 m、L=10 m時,拉伸鋼板樁方案的地表隆起范圍及大小均小于放坡開挖方案,但是由于鋼板樁支護的開挖面積較小,故而對周邊土體位移影響較大。

改變基坑寬度B=30 m、10 m、3 m時,不同寬度下鋼板樁方案基坑底部隆起影響均優于放坡開挖,但由于鋼板樁支撐相對于放坡開挖的施工難度較大,設計時需考慮周邊環境及受力大小。

改變基坑深度,在一定寬度范圍內兩者對周邊位移的影響相差不大,但鋼支撐方案同樣能夠大幅度減小基坑底部的隆起現象。

3 結論

探討了在指定地質條件下采用多級放坡+鋼板樁與鋼板樁+鋼支撐兩種支護方案的效果,并分別進行單種施工工藝的5種有限元仿真實驗,對結果進行比對,展開敏感性分析實驗,在有限元軟件中分階段對基坑底部隆起及深層水平位移曲線規律進行研究。結果表明,從對周邊地表沉降的影響來看,方案一對于周邊環境影響小于方案二,但最終沉降大于方案二。從對基坑底部隆起的影響來看,方案一基坑底部土體豎向位移的變化程度小于方案二,而豎向位移的最大值大于方案二。兩種方案在基坑底部邊緣的豎向位移相對嚴重,施加混凝土墊層對減弱基坑底部隆起有積極作用。從施工挖土方量來看,方案二明顯大于方案一。針對5種實驗方案對影響基坑的3個因素的不同水平進行敏感性分析,依次為溝槽深度L>溝槽寬度B=30>土力學參數C、φ,說明溝槽深度L為相對主要因素,寬度為相對次要因素,黏聚力/內摩擦角影響較小。