孫興遠(yuǎn),劉亞文,梁進(jìn)軍,王飛,徐金玉
(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)
在城市地下空間開(kāi)發(fā)和高層建筑物的建設(shè)過(guò)程中,產(chǎn)生了大量深基坑工程,其規(guī)模和深度不斷增加?;庸こ淌钱?dāng)前大家非常關(guān)注的巖土工程熱點(diǎn),深基坑開(kāi)挖的影響因素甚多,難度極大[1~4]?;娱_(kāi)挖不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定,而且要有效控制基坑周?chē)馏w水平移動(dòng)、豎直沉降等。實(shí)踐表明[5],在基坑開(kāi)挖過(guò)程中改變了原有土體的應(yīng)力場(chǎng)以及地下水等環(huán)境因素,由此而引發(fā)諸多的環(huán)境巖土工程問(wèn)題及工程事故,不僅危及工程安全,造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失,而且影響城市道路交通、供電供氣、通訊等,引起社會(huì)不安。為了保證周邊建筑物的安全與正常使用,基坑設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制對(duì)周邊環(huán)境的影響。本文結(jié)合南京梅子洲過(guò)江通道連接線—青奧軸線地下交通系統(tǒng)等相關(guān)工程J2區(qū)YK10+615~YK10+650里程段開(kāi)挖實(shí)例,采用有限元軟件MIDAS/GTS建立三維模型,對(duì)該里程段基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,討論基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近土體影響。
南京市梅子洲過(guò)江通道接線工程-奧軸線地下交通系統(tǒng)及相關(guān)工程是2014年青奧會(huì)的主要配套工程之一。擬開(kāi)挖J2區(qū)YK10+615~YK10+650里程段基坑長(zhǎng)約313m,施工方法為明挖順作法,采用φ800地連墻作為基坑開(kāi)挖時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu),且不參與主體結(jié)構(gòu)受力?;涌缍燃s45m,開(kāi)挖深度為14.3m~15.3m,地連墻深27.5m,格構(gòu)柱下的φ1000鉆孔灌注樁長(zhǎng)約12.5m。本里程段共設(shè)4道橫撐,第一道為1m×1m的混凝土支撐,2-4層支撐采用φ609mm(δ=16mm)@3m的鋼管。為增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向剛度,橫向設(shè)置了兩道立柱間距3m。
各物理參數(shù)及土層變化嚴(yán)格按照原設(shè)計(jì)圖及地質(zhì)勘察報(bào)告取值,部分不詳參數(shù)按相關(guān)規(guī)范選取,具體參見(jiàn)表1。為了便于建模,對(duì)某些力學(xué)參數(shù)相近的土層進(jìn)行近似合并(圖1)。
基坑開(kāi)挖深度為16.25m、寬度為45m。為盡量減小人為邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,計(jì)算模型(圖1)水平方向取至基坑范圍外40m,豎直方向從墻底底向下取19.5m?;娱_(kāi)挖范圍內(nèi)單元采用1m大小的四邊形單元,開(kāi)挖范圍外采用1m~5m大小的四邊形單元,混凝土支撐及橫撐采用桁架單元模擬,總計(jì)劃分單元1902個(gè)。模型邊界條件為:左、右邊界x 方向位移為0;下邊界x、y、z 方向位移均為0;前后邊界y 方向位移為0。
基坑開(kāi)挖在充分考慮時(shí)間、空間效應(yīng)的前提下,分層開(kāi)挖、先支撐后開(kāi)挖、每次開(kāi)挖規(guī)定深度、嚴(yán)禁超挖的原則,隨挖隨撐,做好基坑排水,減少坑底暴露時(shí)間[6]。分部開(kāi)挖,設(shè)地連墻和樁、坑底不加固等。為了滿(mǎn)足基坑開(kāi)挖施工需要,每道一道支撐離開(kāi)挖面總有一定距離(本工程為0.5m)。考慮實(shí)際施工過(guò)程,共劃分7個(gè)計(jì)算工況(以樁頂作為標(biāo)高0.00m)。
①計(jì)算工況1:初始地應(yīng)力平衡。把原狀土激活,計(jì)算初始地應(yīng)力,位移清零。
②計(jì)算工況2:施作地連墻,施加地面超載(-20kPa)。
③計(jì)算工況3:初始開(kāi)挖1m雜填土(-1.0m)。
④計(jì)算工況4:施作混凝土八角支撐及主支撐、混凝土連系梁,開(kāi)挖至第1道支撐下0.5m(-5.2m)。
⑤計(jì)算工況5:施作第1道鋼支撐及鋼圍檁并施加設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力,開(kāi)挖至第2道支撐下0.5m(-9m)。
⑥計(jì)算工況6:施作第2道鋼支撐及鋼圍檁并施加設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力,開(kāi)挖至第2道支撐下0.5m(-12.75m)。
土層、支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標(biāo)及幾何尺寸 表1
⑦計(jì)算工況7:施作第3道鋼支撐及鋼圍檁并施加設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力,開(kāi)挖至坑底(-16.25m)。
計(jì)算中分析過(guò)程采用的是累加模型,即每個(gè)施工階段都繼承了上一個(gè)施工階段的分析結(jié)果,并累加了本施工階段的分析結(jié)果。上一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化都會(huì)影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。
對(duì)于基坑工程,土體是產(chǎn)生荷載的主要來(lái)源,但同時(shí)也是支撐體系的一部分,支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形不僅影響基坑的穩(wěn)定性,也會(huì)使土體所受到的荷載和分布形態(tài)發(fā)生改變;由于基坑土方開(kāi)挖卸載作用改變了原有的應(yīng)力狀態(tài),必然會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。圖2為不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)沿深度的變形情況。提取各工況下模型的整體水平位移云圖如圖3所示。
結(jié)合圖2、圖3可知:
①基坑開(kāi)挖的深度與地連墻的水平位移變化量近似呈正比,地連墻水平位移隨著開(kāi)挖深度的增加而增加[7]。地連墻的在最后一次開(kāi)挖結(jié)束后出現(xiàn)水平位移最大值。
②現(xiàn)對(duì)各工況下墻體水平位移的變化情況作對(duì)比分析,可知:支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)“兩頭大、中間小”,這與常見(jiàn)多支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律吻合[8],驗(yàn)證了該計(jì)算模型的可行性。其中第一步開(kāi)挖后,墻體在頂部位移處產(chǎn)生的水平位移較大,此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力形式類(lèi)似一根懸臂梁;第二步開(kāi)挖后,墻體的位移分布形態(tài)有了一定變化,最大位移值點(diǎn)出現(xiàn)于開(kāi)挖面以下4~5m處;第三步、第四步開(kāi)挖后,隨著鋼支撐的架設(shè)完畢,墻體最大水平位移點(diǎn)逐漸向基坑下部移動(dòng),形成基坑中下部變形量最大的態(tài)勢(shì),所以應(yīng)該在中下部位置加強(qiáng)監(jiān)測(cè)且要減少土體的暴露時(shí)間,鋼支撐架設(shè)要及時(shí)。
作為起支護(hù)作用的地連墻,對(duì)其位移情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)于基坑、周邊建筑物、地下管線的穩(wěn)定等具有非常重要的意義;必須使其最大位移不超過(guò)最大容許值[9]。現(xiàn)選取地連墻附近測(cè)斜點(diǎn)CX3的監(jiān)測(cè)值,將其與計(jì)算值作對(duì)比。
由圖4可知,隨著開(kāi)挖深度的增大,支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移不斷增加,且計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致,說(shuō)明本模型基本準(zhǔn)確,參數(shù)選取合理。但計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏大,可能是由于基坑開(kāi)挖前已打入一定數(shù)量的工程樁等,使坑底得到了一定程度的加固,但本次模擬中未能考慮這些因素的影響。
本文針對(duì)J2區(qū)YK10+615~YK10+650里程段基坑應(yīng)用有限元軟件MIDAS/GTS進(jìn)行三維有限元模擬分析,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,可得如下結(jié)論。
①基坑開(kāi)挖的深度與地連墻的水平位移變化量呈正比,地連墻水平位移隨著開(kāi)挖深度的增加而增加。地連墻在最后一次開(kāi)挖結(jié)束后出現(xiàn)水平位移最大值。
②支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形呈現(xiàn)“兩頭大、中間小”,這與常見(jiàn)多支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律吻合。
③通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比得出有限元模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)值相差不大,結(jié)果較為可靠可以反映實(shí)際情況,此模型具有可行性,比較符合實(shí)際,對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義。
④本次基坑數(shù)值模擬未考慮地下水的影響,關(guān)于地下水對(duì)于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的影響有待進(jìn)一步研究。
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