郝　哲, 張　穎, 尹亮亮

(1. 沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽　110044;

2. 遼寧有色勘察研究院, 遼寧 沈陽　110013)

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軟土深基坑開挖過程的三維模擬

郝哲1,2, 張穎2, 尹亮亮2

(1. 沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽110044;

2. 遼寧有色勘察研究院, 遼寧 沈陽110013)

摘要:采用FLAC3D軟件開展深基坑雙排樁+錨索支護及開挖全過程數(shù)值模擬研究,給出開挖過程中和開挖結束后的應力和位移分布,監(jiān)測變形狀態(tài),剖析開挖過程對基坑土體的影響,驗證設計方案的可行性,及時調整現(xiàn)場施工的支護參數(shù)和支護措施.研究方法和結論對類似軟土地區(qū)基坑工程的設計和分析有較大借鑒意義,監(jiān)測點位移分析結果可為進一步開展反分析和二維分析提供依據(jù).

關鍵詞:基坑; 雙排樁; 錨桿; FLAC3D

深基坑開挖是一個在時間和空間上不斷變化的過程,每步開挖或支護都對以后各步產(chǎn)生重要影響,工程的最終穩(wěn)定性也與開挖過程密切相關.深基坑工程是典型的三維問題,深入研究其穩(wěn)定特征必須按空間體考慮.

遼寧營口紅運廣場(家樂福)基坑工程,地層主要由人工填土、淤泥質土、粉土等組成,屬于典型沿海軟土地區(qū),現(xiàn)場開挖時巖土體強度低、變形大,基坑設計支護方式采用雙排樁+錨桿支護.目前,雙排樁-土共同作用的機理尚未研究清楚,無統(tǒng)一的設計方法,相應規(guī)范也沒有對該結構做出規(guī)定[1].

本文采用FLAC3D軟件開展現(xiàn)場基坑雙排樁+錨索支護及開挖全過程三維模擬,給出開挖過程中和開挖結束后的應力和位移場分布,監(jiān)測變形狀態(tài),剖析開挖過程對基坑土體的影響,驗證設計方案的可行性,及時調整現(xiàn)場施工的支護參數(shù)和支護措施,并校核現(xiàn)場位移監(jiān)測結果,提出合理建議.

1現(xiàn)場基坑支護方法

1.1　支護結構特點分析

雙排樁支護結構是由前后兩排平行樁、冠梁、排樁頂間拉梁共同構成的空間結構[2]. 雙排樁側向剛度大, 能有效控制結構的側向水平位移; 雙排樁支護的圍護深度也相應增加[3]; 雙排樁支護結構不需設置內(nèi)支撐, 施工較方便, 工期短. 雙排樁對于沿海一些軟土地層會帶來更好的效果[4].

雙排樁+錨桿支護形式,是在雙排樁支護基礎上,施加錨索所形成的新型樁錨結構.它由雙排樁結構和預應力錨索組成,是比雙排樁具有更大側向剛度的超靜定結構,能更有效控制變形[5];可較好消除錨桿越出紅線所帶來的隱患問題,無需太多場地,對環(huán)境的要求也比較低;錨桿雙排樁直徑小且錨索用量少,施工方便且造價低,比錨桿單排樁要經(jīng)濟得多.

1.2　支護結構參數(shù)

項目最初設計采用上部放坡、下部雙排螺旋鉆孔壓灌樁加一排錨索聯(lián)合支護方案,但隨著現(xiàn)場基坑開挖的進行,發(fā)現(xiàn)依據(jù)設計方案施工基坑變形過大,難以滿足穩(wěn)定要求,因此設計方案不斷調整.最終實際支護方案是:螺旋鉆孔壓灌樁支護樁加樁后錨樁、三排錨索、拉梁聯(lián)合支護.基坑設計由二維理正軟件完成.

2計算模型建立

2.1　現(xiàn)場基坑支護布置圖

圖1為基坑開挖平面布置圖,圖2為基坑典型剖面支護立面圖.

圖1　基坑開挖平面布置圖

圖2　基坑支護立面圖

2.2　本構模型及參數(shù)選取

采用Mohr-Coulomb準則.中心基坑開挖區(qū)采用8節(jié)點六面塊體網(wǎng)格(brick),周圍區(qū)域采用14節(jié)點六面體外圍漸變放射網(wǎng)格(radtunnel);樁、梁、錨索采用不同結構單元模擬:前后排支護樁采用樁單元(pile),前后排樁頂冠梁及拉梁采用梁單元(beam),錨索采用預應力錨索單元(cable).巖土地層、支護樁、錨索、冠梁、拉梁等材料的計算參數(shù),依據(jù)實驗室試驗和地質報告提供的數(shù)據(jù)取值.

2.3　模擬開挖過程

針對現(xiàn)場基坑實際開挖過程,模擬分析定為9個開挖步.

① 1步:開挖前初始狀態(tài);② 2步:上部3.5 m放坡;③ 3步:雙排樁施工,前排樁頂冠梁、前后排樁頂間拉梁施工;④ 4-1步:基坑第1次開挖;⑤ 4-2步:基坑第1排錨索安裝;⑥ 5-1步:基坑第2次開挖;⑦ 5-2步:基坑第2排錨索安裝;⑧ 6-1步:基坑第3次開挖到坑底標高;⑨ 6-2步:基坑第3排錨索安裝.

2.4　網(wǎng)格剖分

盡管計算分析的基坑范圍大,但平面形狀基本對稱.選取整體的1/4區(qū)域作為分析對象,整個基坑區(qū)域中心點設為坐標原點(坐標:0,0,0).邊界條件:南、北邊界x方向固定;東、西邊界y方向固定;底邊界z方向固定;頂邊界為位移自由邊界.開挖后地層網(wǎng)格及支護布置見圖3和圖4.

圖3　1/4區(qū)域開挖后地層網(wǎng)格

圖4　1/4區(qū)域開挖后支護結構

3程序模擬結果

3.1　模擬結果云圖

圖5~圖6為基坑開挖結束時的最大主應力(σ1)和最小主應力(σ3)云圖.圖7為基坑開挖結束時的單元屈服狀態(tài)圖.圖8為豎向位移zdis云圖.圖9為開挖結束時的南北向位移xdis云圖.圖10為東西向位移ydis云圖.

圖5　62步之σ1

圖6　62步之σ3

圖7　62步之state

圖8　62步之zdis

圖9　62步之xdis

圖10　62步之ydis

3.2　監(jiān)測點及剖面分析

3.2.1側壁水平位移

圖11為基坑東側樁頂his1~his4監(jiān)測點ydis位移變化圖;圖12為基坑南側樁頂his5~his8監(jiān)測點xdis位移變化圖.

圖11　基坑東側樁頂冠梁4個監(jiān)測點ydis變化圖

圖12　基坑南側樁頂冠梁4個監(jiān)測點xdis變化圖

3.2.2周邊沉降

圖13為基坑東部周邊地表土體his11~his14沉降監(jiān)測點zdis位移變化圖;圖14為基坑南部周邊地表土體his15~his18沉降監(jiān)測點zdis位移圖.

圖13　基坑東部周邊土體4個監(jiān)測點zdis變化圖

圖14　基坑南部周邊土體4個監(jiān)測點zdis變化圖

3.2.3坑底回彈及地表沉降

圖15為基坑開挖后坑底水平面的zdis位移圖.圖16為基坑開挖后地表水平面的zdis位移圖.

圖15　基坑坑底水平面的zdis切片圖

3.2.4側壁變形

圖17為基坑南北對稱剖面變形圖.圖18為基坑東西對稱剖面變形圖.

圖17　y=0剖面位移矢量圖及變形云圖

圖18　x=0剖面位移矢量圖及變形云圖

3.3　結構分析

3.3.1支護樁

現(xiàn)場雙排樁彎矩見圖19和圖20.

圖19　前排支護樁彎矩圖(東南陰角處)

圖20　后排支護樁彎矩圖(東南陰角處)

3.3.2錨索

三排錨索軸向應力見圖21和圖22.

圖21　東西坑壁錨索的軸應力圖

圖22　南北坑壁錨索的軸應力圖

4計算結果分析

4.1　應力分析

(1) 初始地應力狀態(tài)(第1步),未見剪切破壞和拉伸破壞單元.這種狀態(tài)下應力均勻分布情況,隨著深度的增加,主應力逐漸增加[6].

(2) 地表3.5 m放坡開挖后(第2步),對應力狀態(tài)的影響較大,此時主應力的均勻分布狀態(tài)被打破,有主拉應力出現(xiàn).由于開挖不深,有少量剪切塑性區(qū)出現(xiàn)但范圍不大,塑性區(qū)主要產(chǎn)生在基坑東、南側壁坑底中部.

(3) 雙排樁及其冠(拉)梁施工完成后(第3步),由于未開挖而對土體預加固,樁施工對土體應力狀態(tài)影響不大,由于支護作用,最大拉應力略有減小.該步與上一步屈服狀態(tài)基本沒有變化.

4.2　位移分析

4.2.1側壁水平變形分析

(1) 無論是基坑長邊還是短邊,基坑側壁水平變形的分布規(guī)律是一致的[7].

(2) 靠近基坑中部的監(jiān)測點變形較大,而兩邊的變形相對較小.東側監(jiān)測點最大水平位移值-82.4 mm,南側監(jiān)測點最大水平位移值-58.3 mm.

(3) 基坑各側壁的水平變形規(guī)律均為樁頂?shù)乇砉诹禾帪樽畲?而向深部逐漸減小.說明基坑最終呈現(xiàn)懸臂變形特征.

4.2.2周邊沉降分析

(1) 無論是基坑長邊還是短邊,基坑周邊沉降變形的分布規(guī)律是一致的.

(2) 東側和南側的沉降變形值基本相等.其中,東側周邊沉降位移最大值約為305.9 mm,南側周邊沉降位移最大值約為304.2 mm.

(3) 基坑各周邊各剖面的豎向沉降變化規(guī)律是:越靠近基坑內(nèi)部豎向位移越大,而向坑外呈現(xiàn)有規(guī)律減小的特征.

4.2.3坑底回彈分析

(1) 坑底中心的9、10監(jiān)測點的回彈變化規(guī)律基本一致,均隨著基坑開挖及支護工序推進而逐漸增大.

(2) 基坑第2步放坡開挖后,坑底中心點回彈位移最大值約為67.46 mm;基坑全部開挖并支護完成后,坑底中心點回彈位移最大值約為114.7 mm.

4.2.4水平剖面的豎向位移分析

(1) 豎向位移由坑周沉降(方向向下)逐漸變化為坑底回彈(方向向上),反映出基坑開挖底面處的豎向位移變化規(guī)律.

(2) 地表處作水平切面后,地表位移均為沉降,地表最大沉降值為-66.89 mm.

4.2.5垂直剖面的變形規(guī)律

(1) 兩方向基坑對稱剖面的位移矢量和變形規(guī)律是一致的.

(2) 支護樁水平變形為頂部位移最大,沿深度逐漸變小,其方向為水平向,呈倒三角形分布;由于土中應力釋放,支護樁產(chǎn)生向上位移,這給基坑穩(wěn)定、地表沉降及樁體自身穩(wěn)定都會帶來一定危害,在軟土地層顯得更為明顯.

(3) 坑內(nèi)土體的變形為中間隆起最大,向兩側逐漸減小.

(4) 距離樁體一定范圍內(nèi)的地表土體沉降呈現(xiàn)先增大再減小趨于平緩的趨勢.

4.3　支護結構分析

(3) 后排樁彎矩較前排樁小一倍左右,說明前排支護樁在雙排樁支護結構中起主導作用,受基坑變形和施加錨索的影響更大.

(4) 三排錨索中,第一排錨索軸向力最大,支護效果最明顯,錨索從第一排到第三排軸向力呈遞減趨勢.單根預應力錨索軸向力在錨固段頭部集中并形成峰值,然后逐漸向末端減小并最終趨近于零,這反映出拉力型錨索的軸向力分布特征.

5結語

就基坑應力分布來看,不支護或僅采用雙排樁支護難以滿足穩(wěn)定性要求,可能導致基坑整體變形過大,從而引起基坑坍塌,喪失整體穩(wěn)定危及施工安全,因此設計中給出的雙排樁+冠(拉)梁+三排錨索支護措施必須予以嚴格執(zhí)行.

就基坑位移分布來看,坑周水平變形和沉降位移基本滿足或略超過規(guī)范要求.由于模擬中難以考慮到坑周水泥攪拌帷幕樁、樁間土掛網(wǎng)噴砼二次護壁、放坡處掛網(wǎng)噴砼支護、坑底截排水等有益基坑穩(wěn)定提高安全系數(shù)的其他措施,因此認為設計方案可基本滿足水平和沉降位移的要求.另外,坑底回彈變形超過100 mm,已高出規(guī)范預警值約一倍,因此要格外注意坑底回彈效應,及時施工坑底抗拔樁和基礎墊層,并加快上部主體建筑的施工進度.

模擬分析結果證實了軟土地區(qū)采用雙排樁+錨索施工的可行性和合理性.研究方法和結論對類似軟土地區(qū)基坑工程的設計和分析具有較大借鑒意義.基坑模擬監(jiān)測點位移分析結果可為進一步開展反分析和二維分析提供依據(jù).

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【責任編輯: 祝穎】

(Zhang Weizheng, Hao Zhe, Xiao Mingru. Theory and Practice of Deep Excavation and Support Engineering[M]. Beijing: China Communications Press, 2014:115-117.)

Three-Dimensional Numerical Simulation on Excavation of Deep Foundation in Soft Soil

HaoZhe1,2,ZhangYing2,YinLiangliang2

(1. Architectural and Civil Engineering College, Sheyang University, Shenyang 110044, China; 2. Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute, Shenyang 110013, China)

Abstract:FLAC3D software is used to develop the numerical simulation study on the excavating and supporting process of double-row piles plus anchor; the stress field and displacement field distribution along excavation and after the excavation are given; the state of deformation is monitored, the impacts of foundation pit excavation process on soil are analyzed, the feasibility of the 2D software design scheme is verified, and the supporting parameters and measures of construction are adjusted in site. The research methods and conclusions have significance for the similar design and analysis of foundation pit in soft soil area. The monitoring displacement analysis results can provide the basis for further analysis and two-dimensional analysis.

Key words:foundation pit; double-row pile; anchor; FLAC3D

收稿日期:2014-06-03

中圖分類號:TU 473.2

文獻標志碼:A

作者簡介:郝哲(1972-),男,遼寧沈陽人,沈陽大學教授,博士.

基金項目:沈陽市科技局計劃項目(F13-165-9-00); 遼寧省教育廳高校科研項目(L2010377).

文章編號:2095-5456(2015)01-0049-07