楊震偉

(杭州市鐵路投資有限公司，浙江杭州 310021)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展以及城市規(guī)模的快速擴(kuò)張，深大基坑越來(lái)越多地出現(xiàn)在城市建設(shè)中。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，不同支護(hù)設(shè)計(jì)形式和開挖方式引起土體變形和支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)力調(diào)整的情況極為復(fù)雜，使得深大基坑開挖過(guò)程中基坑開挖穩(wěn)定和安全問(wèn)題十分突出。

目前，基坑工程中常用的分析方法可以分為兩類:①行業(yè)和地方基坑設(shè)計(jì)規(guī)程采用豎向彈性地基梁法［1-2］;②基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值分析方法，如有限元法、有限差分法等。豎向彈性地基梁法難以對(duì)土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成的相互作用的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力及變形分析，因此越來(lái)越多的基坑工程采用數(shù)值分析方法對(duì)基坑開挖過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，如鄭永來(lái)等［3］以上海M8線環(huán)海路站北風(fēng)井基坑工程為背景，采用FLAC3D軟件模擬基坑的開挖過(guò)程，郭海燕等［4］結(jié)合青島萬(wàn)邦基坑工程的設(shè)計(jì)和施工，以平面彈塑性有限元模擬該基坑的開挖和支護(hù)過(guò)程。此外，丁永春等［5］、趙海燕等［6］均采用不同軟件及方法對(duì)基坑進(jìn)行過(guò)有限元模擬計(jì)算。

本文結(jié)合某地鐵基坑工程的設(shè)計(jì)和施工，采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，利用ABAQUS大型數(shù)值計(jì)算軟件模擬計(jì)算基坑的開挖支護(hù)過(guò)程，分析非對(duì)稱土層基坑開挖過(guò)程中基坑變形及支護(hù)體系的內(nèi)力變化規(guī)律，為該基坑設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

1 Mohr-Coulomb塑性模型

Mohr-Coulomb破壞和強(qiáng)度準(zhǔn)則在巖土工程中的應(yīng)用十分廣泛，大量的巖土工程設(shè)計(jì)計(jì)算都采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則假定，當(dāng)作用在某一點(diǎn)的剪應(yīng)力等于該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)發(fā)生破壞，剪切強(qiáng)度與作用在該面的正應(yīng)力呈線性關(guān)系。Mohr-Coulomb的強(qiáng)度準(zhǔn)則為

式中，τ為剪切強(qiáng)度，σ為正應(yīng)力，φ為材料的內(nèi)摩擦角，c為材料的黏聚力。

傳統(tǒng)的Mohr-Coulomb模型的屈服面存在尖角導(dǎo)致塑性流動(dòng)方向的不唯一性，造成數(shù)值計(jì)算的繁瑣和收斂緩慢。為避免這種問(wèn)題，ABAQUS采用的本構(gòu)模型是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的擴(kuò)展，該模型選用連續(xù)光滑的流動(dòng)勢(shì)函數(shù)(Menetery Ph etc，1995)，其形狀在子午面上為雙曲線，在π平面上沒(méi)有尖角，確保了塑性流動(dòng)方向的唯一性［7］。

2 工程概況

某地鐵基坑工程長(zhǎng)約252 m，寬20.5～25.9 m，呈南北向展布，基坑開挖深度在15.0～16.8 m范圍，結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度在1.6～1.8 m范圍，底板座落在淤泥質(zhì)土層上。

2.1 工程地質(zhì)條件

將勘探范圍內(nèi)地基土劃分為6個(gè)工程地質(zhì)層，各地基土層的工程特性按地層由上至下，由新至老分布如表1。

表1 土層分布及物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑采用鉆孔灌注樁作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采用明挖順筑法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用旋噴止水帷幕與內(nèi)排灌注樁的內(nèi)支撐方案，灌注樁為φ1 000@1 200 mm，補(bǔ)樁規(guī)格為φ1 200@1 400 mm。樁底插入坑底下強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖至少3.5 m，當(dāng)坑底強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖厚度不足3.5 m時(shí)，伸入中等風(fēng)化粉砂巖至少1.5 m。灌注樁外側(cè)采用φ800@500 mm旋噴樁止水帷幕，加固深度從冠梁頂至強(qiáng)風(fēng)化巖面。

基坑橫向設(shè)置5道內(nèi)支撐，第1道和第3道為混凝土支撐，混凝土支撐截面尺寸900 mm×800 mm，其余部分為φ609、厚16 mm的鋼管支撐，支撐間距分為1.2 m和3.3 m兩種。

基坑地基土層加固:①基坑第3道支撐底下至地面下10 m范圍裙邊加固和隔條抽條加固，水泥摻量不小于150 kg/m3，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.5 MPa;②基坑開挖深度在地面下10 m至坑底范圍內(nèi)，采用φ800@600 mm的旋噴樁抽條加裙邊加固，水泥摻量不得低于400 kg/m3，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa;③坑底以下至強(qiáng)風(fēng)化巖(強(qiáng)風(fēng)化巖較深時(shí)，加固至坑底以下8 m)，采用φ800@600 mm的高壓旋噴樁滿堂加固，滿足基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)中比例系數(shù)m=6 MN/m4，水平抗力系數(shù)Kh=20 MN/m3，水泥摻量不得低于530 kg/m3，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa。

3 數(shù)值仿真計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

由于基坑長(zhǎng)寬比較大，且基坑在長(zhǎng)度方向的土層分布近似，因此選取基坑中間一段模擬計(jì)算基坑開挖穩(wěn)定過(guò)程。該基坑土層分布呈斜坡狀，基坑?xùn)|側(cè)強(qiáng)風(fēng)化巖層埋深高程為－2.0 m，西側(cè)強(qiáng)風(fēng)化巖層埋深高程達(dá)－14.0 m。

基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)仿真模型如圖1所示。模型中巖土體為61 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中實(shí)體單元56 777個(gè)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元4 723個(gè)。

圖1 基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型

3.2 邊界條件

計(jì)算采用的邊界條件為:模型底部邊界采用全約束(約束三個(gè)平動(dòng)自由度)，四周側(cè)立邊界采用法向約束。

3.3 模擬過(guò)程

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)和施工步驟確定模擬計(jì)算共考慮九步，第一步進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)的平衡;第二步施加混凝土圍護(hù)樁、立柱，進(jìn)行基坑穩(wěn)定計(jì)算;第三步開挖至第1道支撐下0.5 m處，計(jì)算基坑穩(wěn)定性;第四步施加冠梁、第1道混凝土支撐及混凝土系梁，開挖至第2道支撐下0.5 m處，計(jì)算基坑的穩(wěn)定性;依次施加第5道鋼管支撐，開挖至基坑底為第九步。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 土體位移

圖2為基坑開挖過(guò)程中模型中間剖面處基坑?xùn)|西側(cè)土層的水平變形，圖中H為開挖深度?？梢钥闯?，土層的水平變形隨著開挖深度的增加逐漸增大，但增長(zhǎng)的幅度逐漸減小。開挖至坑底時(shí)，基坑?xùn)|側(cè)的最大水平變形為15.8 mm，遠(yuǎn)離基坑內(nèi)變形，西側(cè)的最大水

圖2 基坑?xùn)|西側(cè)開挖步的水平位移

平變形為33.5 mm，向基坑內(nèi)變形。造成基坑?xùn)|側(cè)土體遠(yuǎn)離基坑內(nèi)變形的原因?yàn)?由于該基坑?xùn)|西側(cè)基巖埋深相差較大，使得開挖過(guò)程中基巖埋深更深的西側(cè)土體水平變形更大，造成西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受的土壓力更大，而東側(cè)土體變形較小，土壓力也小，西側(cè)土壓力通過(guò)支撐傳遞給東側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使得基坑?xùn)|側(cè)土體偏離基坑方向變形。

4.2 圍護(hù)樁內(nèi)力

圖3和圖4分別為基坑開挖過(guò)程中模型中間剖面處圍護(hù)樁的彎矩隨高程的變化曲線圖。

圖3 東側(cè)圍護(hù)樁各開挖步的彎矩

圖4 西側(cè)圍護(hù)樁各開挖步的彎矩

可以看出，圍護(hù)樁的最大彎矩隨開挖深度的增加而逐漸增大。開挖完后東側(cè)樁的最大彎矩約為514 kN·m，西側(cè)樁的最大彎矩約為1 168 kN·m，均位于基坑?xùn)|西側(cè)基巖面處。

4.3 支撐內(nèi)力

圖5為基坑開挖過(guò)程中模型中間剖面處5道支撐的軸力變化圖。

從圖5可以看出，第1道支撐最大軸力發(fā)生在開挖深度為7.5 m處，為1 270 kN，大致位于支撐的中間部位，之后隨著開挖深度的增加而減小;第2道支撐的最大軸力發(fā)生在開挖深度為10.5 m處，為754.2 kN，大致位于支撐中部偏西部位，之后軸力隨開挖深度的增加略有減小;第3、第4和第5道支撐的軸力隨開挖深度的增加逐漸增大，基坑開挖完后分別為3 415 kN，996.5 kN，773.2 kN，最大軸力分別位于該道支撐的中部、東側(cè)和西側(cè)。

圖5 每道支撐的軸力分布

從分析結(jié)果來(lái)看，由于兩端混凝土邊撐的作用，第1、第3道混凝土支撐最大軸力位于支撐中部，而第2、第4和第5道鋼管支撐的最大軸力則位于端部。此外，施工過(guò)程中及時(shí)施作支撐，可有效地分擔(dān)上部支撐的壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文采用ABAQUS軟件對(duì)基坑開挖過(guò)程進(jìn)行非線性模擬計(jì)算。土體變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力均隨開挖深度的增加而增大。

2)當(dāng)基坑兩側(cè)土層非對(duì)稱分布時(shí)，基巖埋深更深一側(cè)的土壓力通過(guò)支撐傳遞至基巖埋深更淺一側(cè)的圍護(hù)樁，使得該側(cè)土層向遠(yuǎn)離基坑方向變形。

3)基坑開挖過(guò)程中基坑的水平變形逐漸增大，使得作用在圍護(hù)系統(tǒng)上的土壓力增大，因而施工過(guò)程中及時(shí)設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)，不僅能有效地減少土體的變形，還能及時(shí)減小上部支撐的軸力，確保施工的順利完成。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GJ 120—99 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999．

［2］金甌，胡正華，陳成振．深基坑變形和內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元理論數(shù)據(jù)對(duì)比研究［J］．鐵道建筑，2011(6):114-116．

［3］鄭永來(lái)，王金龍．軌道交通上方大面積基坑開挖三維問(wèn)題分析［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(2):277-306．

［4］郭海燕，李勝林，張?jiān)疲罨娱_挖與支護(hù)的有限元模擬［J］．中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39(1):165-168．

［5］丁永春，王建華，徐斌．基于FLAC3D的基坑開挖與支護(hù)三維數(shù)值分析［J］．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，43(6):976-980．

［6］趙海燕，黃金枝．深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的三維有限元分析和模擬［J］．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35(4):165-168．

［7］王金昌，陳開頁(yè)．ABAQUS在土木工程中的運(yùn)用［M］．杭州:浙江大學(xué)出版社，2006．