廖 斌
(同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海200092)
隨著我國經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的迅速發(fā)展,地下工程愈來愈多,開發(fā)利用地下空間的要求日顯重要.基坑開挖過程中,土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑周圍建筑物不可避免地會(huì)受到基坑開挖的影響;此外,基坑開挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,土體介質(zhì)性態(tài)受開挖影響不斷發(fā)生變化,導(dǎo)致計(jì)算參數(shù)的不確定[1].因此,如何準(zhǔn)確地分析和預(yù)測開挖產(chǎn)生的變形、實(shí)現(xiàn)信息化動(dòng)態(tài)施工已成為一個(gè)嚴(yán)峻的課題[2-4].
目前,基坑變形計(jì)算主要存在兩個(gè)問題:一個(gè)是計(jì)算參數(shù)的選取問題,另一個(gè)是常規(guī)半斷面法的計(jì)算精度問題.基坑開挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,土體介質(zhì)性態(tài)受開挖影響不斷發(fā)生變化,土體參數(shù)較難確定;斷面非對稱的復(fù)雜基坑在實(shí)際工程中不斷增多,采用簡化方式的常規(guī)半斷面法已較難滿足較高的計(jì)算精度要求.
本文結(jié)合實(shí)例,以基坑整個(gè)斷面為分析對象,結(jié)合位移反分析法,對各工況下基坑的變形進(jìn)行了計(jì)算,同時(shí)將計(jì)算結(jié)果與對應(yīng)工況下的實(shí)測位移進(jìn)行了比較,可為基坑動(dòng)態(tài)施工反演分析提供了重要的實(shí)際工程資料和理論分析依據(jù).
巖土體的位移信息可通過現(xiàn)場監(jiān)測獲取,它帶有豐富的信息,是巖土體力學(xué)性質(zhì)等的綜合反映.巖土體開挖引起的位移u與許多因素有關(guān),可表示如下[5]:
式中:σ,τ為地應(yīng)力分量;μ,E為巖土體的泊松比和彈性模量;c,φ為巖土體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角;η,t為巖土體的粘滯系數(shù)和時(shí)間.
圖1 全斷面基坑變形計(jì)算思路
由上式(1)可知,位移是巖土體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的函數(shù),根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測所得的實(shí)測位移,運(yùn)用理論分析的方法來確定巖(土)體的力學(xué)參數(shù)、地層初始地應(yīng)力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的邊界荷載等,為理論分析在巖土工程中的應(yīng)用提供符合實(shí)際的基本參數(shù),即位移反分析方法[5,6].
由于基坑開挖是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程,監(jiān)測所得位移實(shí)測值也會(huì)隨基坑開挖工況的進(jìn)行而變化.因此,位移反分析法宜采用考慮開挖工況的目標(biāo)函數(shù)[7,8]:
其中:M為工況數(shù);N為測點(diǎn)總數(shù);ui(j)為測點(diǎn)i在j工況的水平位移計(jì)算值為測點(diǎn)i在j工況的水平位移實(shí)測值.
全斷面基坑變形計(jì)算方法以位移反分析所得土體參數(shù)為基礎(chǔ),采用大型有限差分軟件FLAC建立全斷面基坑模型,既能獲得與基坑開挖實(shí)際工況相符合的土體參數(shù),又能避免半斷面法計(jì)算精度低等不足.全斷面基坑變形計(jì)算方法的主要思路如下:
“知道你在騙我,而且,當(dāng)你自以為聰明的時(shí)候,也就是你露餡的時(shí)候。我開始相信這里面有料了,請讓開,別影響我工作?!?/p>
(1)根據(jù)基坑實(shí)際工況及圍護(hù)形式,采用大型有限差分軟件FLAC建立基坑典型斷面的全斷面基坑模型.
(2)基坑施工期間進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測,獲取基坑開挖期間的實(shí)測位移值,結(jié)合全段面基坑模型的計(jì)算位移值,利用式(2)進(jìn)行反演分析,得出與基坑開挖實(shí)際工況相符合的土體參數(shù)等(本次反演位移采用水平位移,反演參數(shù)為各土層等效彈性模量).
(3)將反演分析所得的土體參數(shù)代入全斷面基坑模型重新計(jì)算,即可得出相應(yīng)工況下的基坑位移值(回算位移),還可對下一工況下的基坑位移進(jìn)行預(yù)測(預(yù)測位移);重復(fù)(2)(3)步驟,即可對全斷面基坑模型進(jìn)行不斷修正,實(shí)現(xiàn)對基坑開挖的動(dòng)態(tài)預(yù)測.
梅鋼1780熱軋工程位于南京市雨花臺(tái)區(qū),基坑平面由北至南依次分為加熱爐、粗精軋和精整三個(gè)區(qū)域.1-1斷面(圖2)位于基坑北側(cè)加熱爐位置處斷面為東西向,場地地面標(biāo)高為-0.6m,設(shè)計(jì)開挖深度 -10.6~ -12.6m;東側(cè)放坡至 -8.6m,水泥土攪拌樁擋墻厚4.2m;西側(cè)放坡至-8.6m,水泥土攪拌樁擋墻厚5.2m;坑內(nèi)土體采用水泥攪拌樁加固,加固厚度為4m.基坑西側(cè)坑外埋設(shè)有測斜管(編號(hào)15#),開挖過程中,對該測斜孔進(jìn)行了密切監(jiān)測.?dāng)嗝嫖恢猛翆又饕锢砹W(xué)指標(biāo)見表1.
根據(jù)實(shí)際工況,可把基坑斷面簡化為平面應(yīng)變問題,按以下步驟建立FLAC2D模型:
(1)建立模型網(wǎng)格.
(2)賦予實(shí)際土層屬性,施加邊界條件.
(3)重力平衡,進(jìn)行初始應(yīng)力計(jì)算,并將初始位移置零.
(4)施工基坑兩側(cè)攪拌樁,進(jìn)行基底加固.
(5)基坑兩側(cè)坑外一定范圍(10m)施加20kPa的路面超載.
模型建立后,根據(jù)實(shí)際施工工況,將本次模擬分為以下三個(gè)工況:(1)工況一:開挖至 -3.6m;(2)工況二:開挖至 -8.6m;(3)工況三:開挖完成;
最終開挖完成后的全斷面模型如圖3所示:
表1 1-1斷面土層物理力學(xué)指標(biāo)
(1)工況一:開挖至 -3.6m
根據(jù)開挖至-3.6m時(shí)的實(shí)測水平位移,反演分析得出各土層等效彈性模量;把反演所得參數(shù)代入全斷面模型中進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖4所示;根據(jù)工況一反演所得的土層參數(shù),對斷面開挖至-8.6m時(shí)的水平位移進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果如圖5所示.
圖2 1-1斷面結(jié)構(gòu)布置圖
圖3 開挖至設(shè)計(jì)深度的全斷面模型
(2)工況二:開挖至 -8.6m
根據(jù)開挖至-8.6m時(shí)的實(shí)測水平位移,進(jìn)行第二次反演分析,得出各土層等效彈性模量;把反演所得的參數(shù)代入全斷面模型中進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖6所示;根據(jù)工況二反演所得的土層參數(shù),對斷面開挖完成時(shí)的水平位移進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果如圖7所示.
(3)工況三:開挖完成
根據(jù)開挖完成時(shí)的實(shí)測水平位移,進(jìn)行第三次反演分析,得出各土層等效彈性模量,把反演所得的參數(shù)代入全斷面模型中進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖8所示.
圖4 開挖至-3.6m時(shí)的計(jì)算水平位移值
圖6 開挖至-8.6m時(shí)的計(jì)算水平位移值
圖5 預(yù)測開挖至-8.6 m時(shí)的水平位移
圖7 預(yù)測開挖完成時(shí)的水平位移
圖8 開挖完成時(shí)的計(jì)算水平位移值
由圖4、圖6和圖8可見,全斷面法計(jì)算所得位移的變化趨勢與實(shí)測位移基本吻合,峰值及峰值深度也與實(shí)測數(shù)據(jù)比較接近.如工況二中(圖6),實(shí)測水平位移峰值為-66.33mm,峰值深度為6.5m;計(jì)算水平位移峰值為-66.07mm,峰值深度為6.1m.
由圖5和圖7中的預(yù)測結(jié)果可見,全斷面法對下一工況位移的預(yù)測與實(shí)測位移比較接近,預(yù)測位移峰值比實(shí)測位移峰值稍小;經(jīng)再次反演分析對全斷面模型進(jìn)行修正之后,全斷面法計(jì)算位移又與實(shí)測位移比較吻合.如工況二中(圖7),全斷面法預(yù)測工況三的水平位移峰值為-69.03mm,峰值深度為6.1m;工況三實(shí)測水平位移峰值為77.56mm,峰值深度為7.1m;模型修正后,全斷面法計(jì)算水平位移峰值為-77.62mm,峰值深度為7.5m(圖8)
本文結(jié)合實(shí)例,利用位移反分析理論,采用全斷面法對復(fù)雜基坑典型斷面在不同施工工況下的水平位移進(jìn)行計(jì)算,并對后續(xù)工況變形進(jìn)行了預(yù)測.根據(jù)以上分析和計(jì)算結(jié)果,得出以下主要結(jié)論.
(1)實(shí)例分析結(jié)果表明,對于類似斷面非對稱的復(fù)雜基坑,全斷面變形計(jì)算法的計(jì)算位移與實(shí)測位移基本吻合,本文提出的全斷面基坑變形計(jì)算方法可為類似復(fù)雜基坑的分析研究提供一種新的參考方法.
(2)利用已獲監(jiān)測數(shù)據(jù)反演所得的土層參數(shù),可較好地對下一工況基坑開挖的變形進(jìn)行預(yù)測,基于位移反分析法的全斷面基坑變形計(jì)算方法可為基坑的動(dòng)態(tài)施工提供重要依據(jù).
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