楊益飛, 關(guān) 群, 孫若晗, 高 菊, 張 力

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

基于FLAC-3D數(shù)值模擬分析逆作法的深基坑變形

楊益飛, 關(guān) 群, 孫若晗, 高 菊, 張 力

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章利用ANSYS軟件建立三維模型,導(dǎo)入FLAC-3D中對(duì)某逆作法的深基坑開(kāi)挖變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算。結(jié)果表明:深基坑的地下連續(xù)墻變形呈S形,最大水平變形位于開(kāi)挖面以上1/2～1/3深度處;周邊土體沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m處沉降最大;坑底回彈隨土體開(kāi)挖逐漸增大;樁頂垂直位移隨開(kāi)挖大致呈先向下稍移再上抬的趨勢(shì)。研究結(jié)果可為類(lèi)似深基坑工程提供參考。

逆作法;深基坑;變形;數(shù)值模擬

近年來(lái),逆作法在基坑、隧道、地鐵等工程中得到了快速的發(fā)展。深基坑多采用逆作法施工,采用剛度較強(qiáng)的梁、板、柱作為支撐系統(tǒng),地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),形成一個(gè)整體[1]。深基坑逆作法開(kāi)挖過(guò)程中必須考慮基坑變形對(duì)周邊環(huán)境的影響、自身的穩(wěn)定性等,然而土體的性質(zhì)、含水量的變化、降水步驟、開(kāi)挖步驟等都會(huì)對(duì)開(kāi)挖變形、穩(wěn)定性造成不同的影響,因此,有必要通過(guò)有效的數(shù)值模擬與計(jì)算,研究實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中基坑變形、沉降等變化規(guī)律,為實(shí)際工程提供預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和合理化建議。

本文以一深基坑逆作法工程為例,通過(guò)ANSYS軟件建立基坑三維模型,導(dǎo)入FLAC-3D中進(jìn)行計(jì)算模擬,研究地下連續(xù)墻變形、周邊土體沉降以及土體回彈等變化規(guī)律,從而為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 概況

該工程位于某地傳統(tǒng)商業(yè)中心區(qū)域,其中主樓地上45層、附樓16層、裙房9層,地下5層,基坑平面近似為118.8 m×82.8 m的矩形,總面積為4.26×104m2,深度約22 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻(簡(jiǎn)稱(chēng)“地連墻”),厚度為1 m,地下各層樓板作為水平支撐?；娱_(kāi)挖采用“周邊逆作、中間主樓順作”的逆作法施工技術(shù),主樓為人工挖孔樁基礎(chǔ),附樓及裙房為鉆孔灌注樁基礎(chǔ),支撐柱采用鋼管混凝土柱(外包成框架柱)或鋼管柱?；悠矫鎴D及周邊環(huán)境分布如圖1所示。

圖1 基坑平面圖及周邊環(huán)境分布

場(chǎng)地屬于第四紀(jì)地貌形態(tài),為南淝河一級(jí)階地地貌單元,場(chǎng)地地層從上至下為:① 雜填土、② 黏土、③ 粉質(zhì)黏土(黏土)、④-1 粉土夾砂、④-2 粉土夾砂、⑤-1 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、⑤-2 中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。場(chǎng)地各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

表1 場(chǎng)地土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

注：重度的單位為kN/m3。

1.2 基坑支護(hù)及開(kāi)挖

該工程5層地下室基坑深度約22 m,墻趾位于⑤-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中7 m,屬于深、大基坑工程,地質(zhì)條件及周?chē)h(huán)境復(fù)雜且場(chǎng)地有限,對(duì)沉降較為敏感,地下水量充沛,因此采用地連墻與水平樓板相結(jié)合的支護(hù)體系,整體剛度大,可以有效控制變形和沉降,基坑支護(hù)如圖2所示?；臃譃榈叵?層,B0～B4板均逆作施工,主樓順作,主樓部分形成一個(gè)半徑為30 m的出土口,具體施工順序見(jiàn)表2所列?；娱_(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行持續(xù)降水,坑內(nèi)水位保持在底板以下、2 m以外。

圖2 基坑支護(hù)圖

表2 施工順序

序號(hào)具體施工內(nèi)容1水泥攪拌樁施工2基坑周邊地下連續(xù)墻施工3鉆孔灌注樁及支撐柱施工4開(kāi)挖0～-2.5m土體,澆注B0板5開(kāi)挖-2.5～-7.15m土體,澆注B1板6開(kāi)挖-7.13～-11.75m土體,澆注B2板7開(kāi)挖-11.75～-15.4m土體,澆注B3板8開(kāi)挖-15.4～-19.0m土體,澆注B4板9主樓人工挖孔樁施工10開(kāi)挖-19.0～-22.0m土體,澆注底板

2 基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬分析

2.1 基本假設(shè)

為了建模、計(jì)算方便,同時(shí)兼顧實(shí)際的施工開(kāi)挖情況,做以下假設(shè):

(1) 主要模擬基坑逆作法開(kāi)挖過(guò)程,因此不考慮主樓人工挖孔樁及以上結(jié)構(gòu)的施工。

(2) 基坑底部布滿(mǎn)抗拔樁、灌注樁,為了降低計(jì)算量,模型中不考慮抗拔樁。

(3) 模擬計(jì)算過(guò)程中,由于充分降水,因此不考慮地下水的影響。

2.2 模型的建立

2.2.1 結(jié)構(gòu)單元、材料參數(shù)及本構(gòu)模型的選取

土體、地下連續(xù)墻及梁、板采用實(shí)體單元模擬,而墻與土體之間的相互作用采用FLAC-3D中內(nèi)置的interface接觸面來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。其中土體根據(jù)表1分為7層,采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,由于缺少部分試驗(yàn)數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、規(guī)范及文獻(xiàn)[3]取各層土體的彈性模量E及泊松比ν,然后根據(jù)(1)式、(2)式計(jì)算出對(duì)應(yīng)土體的剪切模量K和體積模量G[4];而地連墻及梁板采用線彈性模型。支撐柱和灌注樁采用pile單元模擬,樁、柱與土體之間的相互作用通過(guò)法向和切向的耦合彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn),保證pile單元與實(shí)體單元網(wǎng)格間力和彎矩的傳遞。

K=E/[3(1-3ν)]

(1)

G=E/[2(1+ν)]

(2)

2.2.2 基坑開(kāi)挖的模擬

基坑開(kāi)挖實(shí)際是一個(gè)動(dòng)態(tài)連續(xù)的施工過(guò)程,模擬可以通過(guò)計(jì)算步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)基坑的分步施工,即通過(guò)“殺死”和“激活”相應(yīng)計(jì)算單元來(lái)考慮土體開(kāi)挖和圍護(hù)體系的作用[5]。FLAC-3D中用null單元來(lái)實(shí)現(xiàn)土體開(kāi)挖[6],設(shè)置最大不平衡力比為10-5來(lái)描述計(jì)算的收斂過(guò)程,經(jīng)過(guò)近27×104步完成基坑開(kāi)挖模擬計(jì)算,其具體施工工況見(jiàn)表3所列。

表3 施工工況

2.2.3 模型尺寸與邊界條件

該深基坑平面為不規(guī)則的矩形,因此利用ANSYS建立三維空間模型再導(dǎo)入FLAC-3D進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及彈性力學(xué)理論,土體平面尺寸取5倍開(kāi)挖深度,為400m×400m的正方形,影響深度取2～3倍的開(kāi)挖深度[7],取為80m。模型邊界條件設(shè)為x=200 m、x=-200 m和y=250 m、y=-150 m 4個(gè)豎向截?cái)嗝鎯H約束邊界面法向位移,z=-80 m底部約束豎向位移,z=0 m地表面為自由邊界。模型共有116 046個(gè)單元,119 728個(gè)節(jié)點(diǎn),ANSYS與FLAC-3D三維模型如圖3所示。

圖3 三維模型

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 地連墻水平位移分析

FLAC-3D在模擬過(guò)程中監(jiān)測(cè)了地連墻6條邊中點(diǎn)處的水平位移,其中開(kāi)挖完成時(shí)地連墻的x、y向位移云圖如圖4所示。

從圖4可以看出變形最大值為42 mm,滿(mǎn)足文獻(xiàn)[8]中δmax/H≤0.5%的要求,地連墻位移呈兩邊小中間大的特點(diǎn)，且位于主樓出土口處的變形稍大,這是由于出土口處抗側(cè)剛度小,對(duì)地連墻的變形約束小,因此中間變形大。

各中點(diǎn)的水平位移圖如圖5所示,在開(kāi)挖初期地連墻向坑外變形,變形呈S形,從0至-4 m變形逐漸減少,-4 m以下隨土體開(kāi)挖,地連墻的變形不斷增大且最大變形不斷下移,最終變形最大值出現(xiàn)在-14～-16 m處,位于開(kāi)挖面以上1/2～1/3深度處,這與文獻(xiàn)[9]所得的實(shí)際監(jiān)測(cè)的變形規(guī)律相似。

圖4 地連墻變形圖

圖5 地連墻各中點(diǎn)處水平位移

2.3.2 周邊土體沉降分析

基坑開(kāi)挖完成時(shí),基坑周邊的沉降情況如圖6所示。從圖6可以看出,土體的最大沉降量為18 mm,小于設(shè)計(jì)地表最大沉降量0.1%H=20 mm的要求;“凹”形角點(diǎn)處沉降比“凸”形角點(diǎn)處的沉降大,這是由于“凹”形處土體受到兩側(cè)地連墻變形疊加的影響,導(dǎo)致土體沉降加大;基坑x=35.5 m、x=-49.3 m及y=-37.9 m處土體沉降呈兩邊小中間大的特點(diǎn),這與地連墻的變形一致。

圖6 基坑周邊沉降圖

基坑周邊y=-9.8 m、y=-14.0 m和x=-0.6 m、x=-28.0 m處土體在不同工況下的沉降如圖7所示,土體沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m處最大沉降為18 mm,沉降影響范圍大致在100 m內(nèi)。

圖7 不同開(kāi)挖工況下基坑周邊土體沉降

2.3.3 坑底土體回彈分析

土體隨著開(kāi)挖豎向卸載,坑底土體不斷隆起,其最終回彈變形如圖8所示,最大回彈11.9 cm,處于可控范圍內(nèi),總體來(lái)看,主樓圓形出土口處坑底回彈最大,這是由于這部分土體只受到土體豎向卸載的影響,回彈比其他部位土體回彈要大。

y=0 m處坑底土體回彈在不同工況下的變形值如圖9所示,可以看出,開(kāi)挖淺層土體時(shí),回彈值很小且各個(gè)部位的回彈值相差不多,為一水平直線,隨著土體不斷開(kāi)挖,圓形出土口的回彈值增大,且在(0,0)點(diǎn)達(dá)到最大值,其左側(cè)土體呈波浪形,這是由于左側(cè)存在支撐柱和灌注樁,承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載,給土體一個(gè)向下的約束。

圖8 不同開(kāi)挖階段基坑周邊土體沉降

圖9 y=0 m處坑底土體在不同工況下的回彈值

2.3.4 樁頂垂直位移分析

整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程對(duì)所有樁頂垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),(0,34.1)處樁頂位移最大,如圖10所示。

淺層土體開(kāi)挖階段(工況3～工況4),樁體向下移動(dòng),這是由于淺層土體開(kāi)挖卸載時(shí),坑底土體豎向卸載效果不明顯,梁板柱自重及施工荷載通過(guò)地連墻及灌注樁承擔(dān),使得樁頂下沉；深層土體開(kāi)挖階段(工況5～工況7),坑底土體豎向卸載效果不斷增強(qiáng),同時(shí)坑底土體回彈變形不斷增大,導(dǎo)致樁體不斷上抬,樁頂最大上抬量為6.3 mm。

圖10 (0,34.1)處樁頂垂直位移

2.3.5 主樓出土口處圓形梁變形及應(yīng)力分析

主樓出土口半徑達(dá)30 m,必須控制其在開(kāi)挖階段的變形,水平變形如圖11所示,最大主應(yīng)力如圖12所示,可以看出在x方向變形達(dá)4 cm,主應(yīng)力較大,這是由于此處剛度小且距基坑邊近,受到地連墻的變形影響大。

圖11 x向水平位移

圖12 最大主應(yīng)力

3 結(jié) 論

本文對(duì)深基坑逆作法開(kāi)挖階段的變形過(guò)程進(jìn)行FLAC-3D模擬分析,通過(guò)對(duì)開(kāi)挖階段基坑整體變形、沉降等問(wèn)題的研究,得出以下結(jié)論：

(1) 地連墻變形呈S形,最大水平位移為42 mm,位于開(kāi)挖面以上1/2～1/3深度處,施工過(guò)程中應(yīng)合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),重點(diǎn)部位在地連墻的邊中點(diǎn)及角點(diǎn)處。

(2) 周邊土體沉降呈倒弓形,距基坑6～8 m處最大沉降為18 mm,基坑周邊10 m范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)要多布置一些,10 m之外可適當(dāng)減少監(jiān)測(cè)點(diǎn),若日均沉降大于3 mm,應(yīng)立即停止施工。

(3) 經(jīng)計(jì)算得樁頂垂直位移隨開(kāi)挖大致呈先向下微移再上抬的趨勢(shì),最大可達(dá)6.3 mm,因此要加大梁板柱節(jié)點(diǎn)處的監(jiān)測(cè),防止樓板開(kāi)裂。

(4) 坑底回彈隨土體開(kāi)挖逐漸增大至12 cm左右,因此開(kāi)挖之前要保證地下水降至開(kāi)挖面以下2 m,同時(shí)在開(kāi)挖階段加大監(jiān)測(cè)頻率。

(5) 由模擬分析結(jié)果可知圓形出土口處梁變形及應(yīng)力較大,應(yīng)嚴(yán)格控制出土口處的施工荷載不大于20 kPa。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Numerical simulation analysis of deep foundation pit deformation by top-down construction method based on FLAC-3D

YANG Yifei, GUAN Qun, SUN Ruohan, GAO Ju, ZHANG Li

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In this paper, the three-dimensional model is established by using ANSYS software, and the model is imported into FLAC-3D for numerical simulation and calculation of the deformation process of deep foundation pit excavation by top-down construction method. The results show that the deformation of diaphragm wall is in S shape and the maximum horizontal deformation is located above the 1/2-1/3 depth of the excavation surface. The adjacent soil settlement is in inverted bow shape and the maximum settlement is 6-8 m away from the pit. The bottom soil upheaval gradually increases with the soil excavation. The vertical displacement of pile top is roughly first slightly moved downwards and then uplifted with the excavation. The study results can provide reference for similar engineering.

top-down construction method; deep foundation pit; deformation; numerical simulation

2015-09-28；

2016-01-05

楊益飛(1989-),男,江蘇如皋人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 關(guān) 群(1962-),女,江蘇揚(yáng)州人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.018

TU470.3

A

1003-5060(2017)04-0522-06