謝 輝， 卓 越， 劉 洪， 翟景國

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610065)

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變電站基坑開挖對地表沉降及建筑物的影響分析

謝 輝， 卓 越， 劉 洪， 翟景國

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610065)

文章針對復(fù)雜周邊環(huán)境下的變電站基坑開挖，采用Flac3D軟件作為數(shù)值模擬的工具，深入分析了變電站基坑開挖對于附近一定范圍內(nèi)的地層水平位移以及地表沉降所產(chǎn)生的影響。

地基開挖； 水平位移分析； 地層沉降分析； 數(shù)值分析

變電站修建中經(jīng)常需大面積的基坑開挖，尤其是城市里面的戶內(nèi)變電站。變電站基坑開挖工程對周圍土體及建筑物有著重大影響，如果開挖不當(dāng)，就會引起周圍建筑物產(chǎn)生水平位移和不均勻沉降并開裂，帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失，尤其在建筑物比較密集的市區(qū)，基坑周圍的地下管線和需要保護(hù)的歷史性建筑比較多，基坑開挖一旦出現(xiàn)問題，將產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此關(guān)于深基坑開挖工程的研究一直受到工程界的重視[1-2]。

國內(nèi)外很多學(xué)者對這一問題的研究表明[3-4]，基坑開挖所引起的地基變形及建筑物沉降開裂，是多種因素綜合作用的結(jié)果，實(shí)際工程中的計(jì)算理論很難考慮多種因素之間的相互作用[5]。而伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，數(shù)值模擬逐漸在工程中得到應(yīng)用，數(shù)值模擬能夠很好的考慮多種因素之間的相互作用，使得分析結(jié)果與實(shí)際工程更為接近。因此基于計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬方法成為分析基坑變形的一種有效方法[6-7]。

在這種情況下，針對某變電站的基坑開挖，本文選擇了以有限差分法為理論基礎(chǔ)編制的大型工程軟件Flac作為數(shù)值模擬的工具，并運(yùn)用其三維版本Flac3D，以對三維空間效應(yīng)比較明顯的基坑支護(hù)-土體-近鄰建筑物體系進(jìn)行更準(zhǔn)確的模擬分析。

1 軟件相關(guān)信息

1.1 軟件原理及邊界條件

Flac3D是二維的有限差分程序Flac2D的拓展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。通過調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實(shí)際的結(jié)構(gòu)。單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動(大變形模式)。Flac3D采用了顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)，能夠非常正確地模擬材料的塑性破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。

求解問題的邊界條件包括面力、集中荷載以及位移邊界；另外體力和初始應(yīng)力條件也是需要施加的。程序開始時(shí)，所有的應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)速度都為0，然后初始應(yīng)力開始施加。集中荷載指定在表面的節(jié)點(diǎn)上，位移邊界條件是由節(jié)點(diǎn)的速度來精確控制的。體力和面力在內(nèi)部被轉(zhuǎn)化成一系列等效的節(jié)點(diǎn)荷載。以上構(gòu)成了數(shù)值計(jì)算的初始狀態(tài)。

1.2 軟件優(yōu)勢

針對某變電站的基坑開挖，所采用的模擬軟件Flac3D有以下幾個(gè)優(yōu)勢：

(1)對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是“混合離散法”。這種方法比有限元法中通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確、合理。

(2)即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用了動態(tài)運(yùn)動方程，這使得Flac3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙。

(3)采用了一個(gè)“顯式解”方案。因此，顯式解方案對非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的求解所花費(fèi)的時(shí)間，幾乎與線性本構(gòu)關(guān)系相同，而隱式求解方案將會花費(fèi)較長的時(shí)間求解非線性問題。而且，它沒有必要存儲剛度矩陣，這就意味著，采用中等容量的內(nèi)存可以求解多單元結(jié)構(gòu)；模擬大變形問題幾乎并不比小變形問題多消耗更多的計(jì)算時(shí)間，因?yàn)闆]有任何剛度矩陣要被修改。

2 工程概述及模型建立

2.1 工程概況

某變電站施工過程中基坑周邊一人行道與小區(qū)圍墻相交，由于圍墻邊的人行道高程與圍墻底部高程相差近5 m，若按正常放坡，將會占用人行道，現(xiàn)采用圍墻外側(cè)澆筑樁板墻回收邊坡。某工程局按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行樁板墻施工過程中，附近某小區(qū)靠近該路基坑側(cè)部分路面出現(xiàn)下沉、裂縫，小區(qū)院墻部分地段開裂。

在該工程范圍內(nèi)，鉆孔深度范圍內(nèi)所揭露地層為第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積層(Q1+2fgl)和白堊系上下統(tǒng)夾關(guān)組(K1-2j)，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

該施工路段區(qū)地表水主要為農(nóng)田灌溉渠水，其補(bǔ)給源為河水及大氣降水。在本路段區(qū)鉆探過程中，該水渠水位0.5～1.0 m，流速0.2 m/s，主要為賦存于第四系人工填土中的上層滯水，其主要補(bǔ)給來源為大氣降水、生活用水和區(qū)域地表水等。該地下水無穩(wěn)定統(tǒng)一水位，且連通性較差。

表1 土的主要物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，場地內(nèi)有賦存于低洼地段白堊系上下統(tǒng)夾關(guān)組砂質(zhì)泥巖中的裂隙水，其主要補(bǔ)給來源為大氣降水、地表水。風(fēng)化裂隙為主要含水層，其水量受匯水情況和裂隙發(fā)育程度影響，一般水量較小，流通性較差，無統(tǒng)一水位標(biāo)高。

2.2 建立計(jì)算模型

在采用數(shù)值計(jì)算方法求解偏微分方程時(shí)，若由有限差分近似將每一處的導(dǎo)數(shù)替代，從而把求解偏微分方程的問題轉(zhuǎn)化為求解代數(shù)方程的問題，這就是有限差分法的定義。有限差分法求解偏微分方程的步驟如下：

步驟1，區(qū)域離散化，即把所給偏微分方程的求解區(qū)域細(xì)分成由有限個(gè)格點(diǎn)組成的網(wǎng)格。

步驟2，近似替代，即采用有限差分公式替代每一個(gè)格點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)。

步驟3，逼近求解。換而言之，這一過程可以看作是用一個(gè)插值多項(xiàng)式及其微分來代替偏微分方程的解的過程。

通過以上3步驟，連續(xù)介質(zhì)的運(yùn)動定律轉(zhuǎn)化為離散單元節(jié)點(diǎn)上的牛頓定律。隨后即可由虛功原理求出下一時(shí)步的節(jié)點(diǎn)不平衡力，進(jìn)入下一時(shí)步的計(jì)算。

現(xiàn)場勘測小區(qū)圍墻距建筑物8.5 m，圍墻距建筑物后邊緣距離26 m，開挖深度為5 m，強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖平均厚度為1 m，填土厚度約為4 m。根據(jù)樁板墻施工與建筑物位置關(guān)系(圖1)簡化受力條件(圖2)，建立數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算模型長度為56 m，其中護(hù)坡長度為30 m，現(xiàn)有圍墻到建筑物后墻長度為26 m(圖3)。

圖1 樁板墻施工與建筑物位置關(guān)系示意

圖2 受力條件簡化示意

圖3 計(jì)算模型

由于護(hù)坡在計(jì)算中需挖去，護(hù)坡的具體形態(tài)對整個(gè)邊坡的穩(wěn)定性影響不大，同時(shí)為了計(jì)算結(jié)果更加正確，網(wǎng)格劃分采用0.5 m×0.5 m。

3 模擬過程和分析

應(yīng)用以上模型，可以設(shè)定本構(gòu)模型和材料特性、設(shè)置應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件等操作，最終進(jìn)行求解。在求解過程中，護(hù)坡開挖之前應(yīng)先求解一次，使模型在原始應(yīng)力狀態(tài)下達(dá)到平衡，護(hù)坡開挖后再求解一次，以便得到穩(wěn)定系數(shù)、水平方向位移和垂直方向位移，整個(gè)計(jì)算精度設(shè)置為1×10-5N，即最大不平衡力達(dá)到1×10-5N時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。由于實(shí)際工程中邊坡一直向外滲水，計(jì)算模型中需設(shè)置滲水通道。

3.1 水平方向位移

護(hù)坡開挖后，計(jì)算穩(wěn)定時(shí)模型的水平方向位移計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 水平方向位移云圖

圖5 土體破壞形式

從圖4中可以看出，由于護(hù)坡的開挖，小區(qū)地面最大水平位移為5.36 cm，水平位移影響范圍較大。從圖中得，在現(xiàn)有圍墻以內(nèi)20 m范圍內(nèi)都將出現(xiàn)大于1 cm的水平位移，距離圍墻26 m處水平位移較小，小于0.5 cm，對于建筑的影響相對較小，加之建筑物地基較深，對地基影響很小?？梢姡_挖面距離建筑物的距離最少應(yīng)在20 m以外，避免對建筑物造成不利影響。

從圖5可以簡單的得出，護(hù)坡開挖后，圍墻后側(cè)土體大部分范圍出現(xiàn)拉破壞，這也在一定程度上驗(yàn)證了現(xiàn)場地面裂縫和建筑物附屬結(jié)構(gòu)的部分變形特點(diǎn)，圖中看出只有在開挖面底角附近出現(xiàn)剪切破壞，剪切破壞直接影響邊坡穩(wěn)定。

3.2 垂直方向位移

為了更加直觀地看出由于護(hù)坡的開挖對小區(qū)的影響，計(jì)算過程中監(jiān)測了距離現(xiàn)有圍墻5 m、12 m、15 m時(shí)的垂直方向位移。計(jì)算曲線如圖6～圖8所示。

圖6 距離圍墻5m垂直方向位移

圖7 距離圍墻12m垂直方向位移

圖8 距離圍墻15m垂直方向位移

從圖6～圖8中可以看出，計(jì)算穩(wěn)定時(shí)(最大不平衡力達(dá)到1×10-5N)，距離圍墻5 m處，土體沉降量達(dá)到7.4 cm；距離圍墻12 m處，土體沉降量達(dá)到3.3 cm；距離圍墻15 m處，土體沉降量為0.5 cm，此時(shí)對建筑物的影響較小。通過垂直方向位移計(jì)算結(jié)果表明，邊坡開挖應(yīng)距離建筑物15 m左右，避免建筑物受到破壞。

以上是在一定的滲流通道情況下的土體破壞形式，并沒有考慮由于滲流作用引起流土?xí)r的土體變形破壞形式。當(dāng)土體發(fā)生流土?xí)r，土質(zhì)變松，土體內(nèi)出現(xiàn)空隙或者通道，邊坡開挖的影響范圍將更大，影響較以上分析結(jié)果更大。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)數(shù)值計(jì)算水平方向位移計(jì)算結(jié)果，由于護(hù)坡的開挖，小區(qū)地面最大水平位移為5.36 cm，水平位移影響范圍較大，從圖中可知，在現(xiàn)有圍墻以內(nèi)20 m范圍內(nèi)都將出現(xiàn)大于1 cm的水平位移，距離圍墻26 m處水平位移較小，小于0.5 cm，對于建筑的影響相對較小，加之建筑物地基較深，對地基影響很小?？梢?，施工作業(yè)面距離建筑物的距離最少應(yīng)在20 m以外，避免對建筑造成不利影響。護(hù)坡開挖后，圍墻后側(cè)土體大部分范圍出現(xiàn)拉破壞，這也在一定程度上驗(yàn)證了現(xiàn)場地面裂縫和建筑物附屬結(jié)構(gòu)的部分變形特點(diǎn)，由圖5可以看出在開挖面底角附近出現(xiàn)剪切破壞，直接造成了邊坡的不穩(wěn)定。

(2)基于數(shù)值計(jì)算垂直方向位移計(jì)算結(jié)果，計(jì)算穩(wěn)定時(shí)(最大不平衡力達(dá)到1×10-5N)，距離圍墻5 m處，土體沉降量達(dá)到7.4 cm；距離圍墻12 m處，土體沉降量達(dá)到3.3 cm；距離圍墻15 m處，土體沉降量為0.5 cm，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，此時(shí)對建筑物的影響較小。通過垂直方向位移計(jì)算結(jié)果表明，邊坡開挖應(yīng)距離建筑物15 m左右，避免建筑物受到破壞。

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謝輝(1989～)，男，碩士，從事電力工程設(shè)計(jì)工作。

TU94+3.9

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[定稿日期]2016-12-04