任 申

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

任 申

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300251)

結(jié)合深基坑開(kāi)挖施工項(xiàng)目，采用FLAC軟件，模擬基坑開(kāi)挖后的位移變形趨勢(shì)，分析了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及應(yīng)力變化規(guī)律。為減小疏降水對(duì)基坑和周邊環(huán)境的影響，采用鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨桿作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。

深基坑 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 數(shù)值模擬 變形分析

1 概述

近年來(lái)，隨著人類巖土工程活動(dòng)的發(fā)展，特別是大量高層、超高層建筑以及地下工程的出現(xiàn)，人們對(duì)于基坑工程的要求已經(jīng)越來(lái)越高，隨之出現(xiàn)的問(wèn)題也越來(lái)越多。因此，為提高建筑用地率，人們開(kāi)始對(duì)地下空間進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，地下室的層數(shù)也隨之增多，有的地下建筑甚至有三、四層地下室，最深多達(dá)數(shù)十米。許多現(xiàn)代建筑如地鐵車(chē)站、地下車(chē)庫(kù)、地下商場(chǎng)、地下倉(cāng)庫(kù)和地下人防工程等均設(shè)計(jì)有多層地下室。于是，選擇一個(gè)科學(xué)合理的基坑穩(wěn)定性分析和施工方案是深基坑工程成敗的關(guān)鍵。

2 場(chǎng)地地質(zhì)工程條件

2.1 工程概況

該擬建場(chǎng)地東西長(zhǎng)約170 m，南北寬約55 m，總占地面積約9 350 m2(如表1)。

表1 擬建建筑物情況

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，判定該擬建工程重要性等級(jí)為二級(jí)，場(chǎng)地等級(jí)為三級(jí)、地基等級(jí)為三級(jí)。綜合評(píng)定巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)處在中朝準(zhǔn)地臺(tái)山東隆起區(qū)沂沭斷裂帶北段，由四條主干斷裂組成凹陷的東西部邊界。西部有唐吾—葛溝、沂水—湯頭斷裂，東部有安丘—莒縣、昌邑—大店斷裂。該區(qū)位于昌濰凹陷西南部濰坊凹陷內(nèi)，南部為汞丹山地壘，由太古界交代式花崗巖及中、新生界火山巖組成；北部為濰縣凸起，由太古界泰山群變質(zhì)巖組成，凹陷內(nèi)由中—新生代火山碎屑巖、玄武巖、沉積巖等組成。

據(jù)省地質(zhì)、地震部門(mén)有關(guān)資料，昌濰凹陷雖發(fā)育有一系列受沂沭斷裂帶控制的次級(jí)斷裂和多斷裂控制的凸起和凹陷，但這些斷裂構(gòu)造的活動(dòng)性很弱。晚第三系后沂沭斷裂帶活動(dòng)大大減弱，處于相對(duì)穩(wěn)定的階段，同期濰坊凹陷形成，并接受了第三系和第四系的沉積，故場(chǎng)址區(qū)穩(wěn)定。

2.3 場(chǎng)地地層

場(chǎng)區(qū)勘察深度范圍內(nèi)，地基土自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)人工堆積(Q4ml)雜填土，第四系上更新統(tǒng)沖洪積(Q3al+pl)粉土、粉砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、粉質(zhì)黏土、粗砂。各層全區(qū)均普遍分布，厚度不均。

2.4 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水為第四系孔隙潛水，勘察期間測(cè)得鉆孔穩(wěn)定水位埋深為7.5 m。其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給，以地下水徑流為主要排泄方式。

場(chǎng)區(qū)含水地層主要為粉砂、中砂和粗砂層，各層滲透系數(shù)分別為1.5 m/d，2.0 m/d，5.0 m/d。其中，粉砂層和中砂層為中等透水層，粗砂層為中—強(qiáng)透水層。粉質(zhì)黏土層透水性較差，可視為相對(duì)隔水層。

3 基坑穩(wěn)定性模擬分析

3.1 FLAC3D軟件簡(jiǎn)述

FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由Itasca公司研發(fā)推出的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，是該公司旗下最知名的軟件系統(tǒng)之一。FLAC目前已在全球七十多個(gè)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用，在國(guó)際土木工程(尤其是巖土工程)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界享有盛譽(yù)。FLAC是國(guó)際通用的巖土工程專業(yè)分析軟件，具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和廣泛的模擬能力，尤其在大變形問(wèn)題的分析方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其提供的針對(duì)巖土體和支護(hù)體系的各種本構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)單元更突出了FLAC的專業(yè)特性，在國(guó)際巖土工程界非常流行。

自R.W.Clough 1965年首次將有限元引入土石壩的穩(wěn)定性分析以來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域獲得了巨大的進(jìn)步，并成功解決了許多重大工程問(wèn)題。特別是個(gè)人電腦的出現(xiàn)，機(jī)器計(jì)算性能的不斷提高，使得分析人員在室內(nèi)進(jìn)行巖土工程數(shù)值模擬成為可能，也使得數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為巖土工程研究和設(shè)計(jì)的主流方法之一。

3.2 基坑周邊環(huán)境及支護(hù)方式

擬建場(chǎng)地原為濰坊市政府大院，位于勝利東街南側(cè)，濰州路東側(cè)，鸞飛路西側(cè)，行政街北側(cè)。

該基坑勘探深度范圍內(nèi)軟土層較多，綜合評(píng)定巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。為保證基坑安全和減少對(duì)周邊建筑的影響，根據(jù)場(chǎng)地條件及當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，通過(guò)土壓力計(jì)算及各類驗(yàn)算，優(yōu)選出鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨桿作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁間采用高壓旋噴樁止水。設(shè)計(jì)鉆孔灌注樁樁徑為1 m，樁長(zhǎng)為19 m。預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行三排布設(shè)，水平間距為2 m，分別為地面以下-3 m，-7 m，-11 m，錨桿水平傾角均為15°。

3.3 開(kāi)挖變形模擬分析

該基坑周邊距既有建筑較近，在開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中要求支護(hù)結(jié)構(gòu)具有安全和小變形的特性?？紤]到擬建建筑規(guī)模較大，取7號(hào)樓開(kāi)挖深度為12 m的基坑進(jìn)行模擬分析。由對(duì)稱性分析，選取模型中間的六分之一進(jìn)行數(shù)值模擬。

根據(jù)上述模型分析方案，設(shè)計(jì)12 m×22.5 m×18 m的數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格，基坑開(kāi)挖深度為12 m。為保證開(kāi)挖時(shí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及現(xiàn)場(chǎng)施工的需要，對(duì)該基坑分五步進(jìn)行開(kāi)挖并對(duì)每次開(kāi)挖后的水平方向位移進(jìn)行模擬分析。模擬分步開(kāi)挖示意見(jiàn)圖1(a～e)。

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于原有應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，土層應(yīng)力發(fā)生重分布，這就使得基坑邊緣靠近臨空面處各土層有向臨空面發(fā)生位移的趨勢(shì)。由圖1可得到如下分析：

①在分步開(kāi)挖過(guò)程中，基坑邊緣水平方向位移量逐漸增大，且位移方向?yàn)榕R空面方向；

圖1 開(kāi)挖示意

②從第三次開(kāi)挖到第四次開(kāi)挖過(guò)程中，基坑邊緣位移量顯著增大，增幅近40%；

③在第五次開(kāi)挖結(jié)束后，基坑邊緣附近位移量最大，且位移方向?yàn)榕R空面方向，這對(duì)保持支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不利；

④在距坑底水平方向一定距離處，基坑位移方向向上，有隆起趨勢(shì)。遠(yuǎn)離基坑邊緣處的土層受應(yīng)力重分布影響較小，發(fā)生的位移量較小。

圖2 位移矢量

圖3 豎向應(yīng)力

由2和圖3可以得出：

①開(kāi)挖過(guò)程中，由于受應(yīng)力重分布影響，基坑邊緣及附近各點(diǎn)向基坑臨空方向發(fā)生明顯位移趨勢(shì)，且位移量隨距基坑邊緣的距離增大而減小。這一規(guī)律不但在水平方向上適用，同時(shí)適用于垂直方向。在距坑底一定距離處，土層各點(diǎn)有向上發(fā)生位移的趨勢(shì)。

②由于上覆土層的荷載及周邊土層的應(yīng)力作用，在坑底處應(yīng)力值最大，且應(yīng)力方向向下。與之相反，在距坑底一定距離處，應(yīng)力方向與坑底處應(yīng)力方向向上，與基坑開(kāi)挖后坑底發(fā)生隆起的現(xiàn)象一致。

4 結(jié)論

(1)擬建場(chǎng)地區(qū)域地貌屬昌濰沖洪積平原，場(chǎng)地地形平坦，無(wú)滑坡、泥石流及巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象。地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)軟弱下臥層、近代活動(dòng)斷裂及不良地質(zhì)作用存在。故場(chǎng)址區(qū)穩(wěn)定，適宜該基坑工程。

(2)基于FLAC軟件，對(duì)開(kāi)挖基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)分析開(kāi)挖后的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力狀態(tài)，得出最大位移量為17.7 mm?，F(xiàn)場(chǎng)基坑開(kāi)挖施工完成后，檢測(cè)最大位移量為18.4 mm，與模擬數(shù)值相差很小。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ120-2012可知，基坑開(kāi)挖允許最大位移量為60 mm，模擬數(shù)值及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值均小于最大允許位移變形量，保證了基坑開(kāi)挖的安全性。因此，用FLAC軟件可以準(zhǔn)確、直觀的模擬基坑開(kāi)挖后的位移變形趨勢(shì)。

(3)本設(shè)計(jì)利用FLAC 3D軟件，其過(guò)程簡(jiǎn)單、易行，為基坑工程設(shè)計(jì)及施工提供了理論參考，杜絕了以往工程技術(shù)人員僅憑當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)及施工方案的現(xiàn)象。

[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50007—2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

[2] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ72—2004高層建筑巖土工程勘察規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

[3] 趙明華，徐學(xué)燕.基礎(chǔ)工程[M].北京：高等教育出版社，2003

[4] 席永慧，陳建峰.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2006

[5] 許惠德，馬金榮，姜振泉.土質(zhì)學(xué)及土力學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1995

[6] GB50011—2001 建筑基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[7] 高大釗，袁聚云.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)(第三版)[M].北京：人民交通出版社，2006

[8] 劉宗仁，劉雪雁.基坑工程[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007

TheResearchontheStabilityofNumericalSimulationwithExcavations

REN Shen

2013-10-16

任 申(1986—)，男，2012年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2014)01-0049-03

TU470

： A