韓冬梅,許經(jīng)宇

(吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021)

1 工程概況

白沙灘泵站主泵房基坑最大深度為17m。該段主體結(jié)構(gòu)總挖方量為15607m3，基底及基底以上至地表的地層都在強(qiáng)風(fēng)化混合巖及以下地層，用機(jī)械直接挖取。

基坑圍護(hù)采用預(yù)制板樁、鋼板格子圍堰或雙層鋼板樁，第一道支撐采用800×600混凝土支撐，其余采用Φ609×14鋼管內(nèi)支撐作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，墻頂設(shè)冠梁。兩側(cè)鋼板樁與雙層鋼板樁之間全部采用Φ609×14鋼管斜支撐支護(hù)，基坑內(nèi)最多處共設(shè)5道支撐。另外，鋼支撐與圍護(hù)樁之間節(jié)點(diǎn)設(shè)50a雙拼工字鋼圍檁。本文采用有限元軟件對該工程進(jìn)行分析和計(jì)算，相關(guān)成果為以后工程提供類似經(jīng)驗(yàn)。

2 有限元模型的建立

2.1 基本假定

(1)土體為均質(zhì)、各項(xiàng)同性材料,各土層物理指標(biāo)見表1。

(2)支撐為彈性材料，設(shè)置為梁單元[1]。

(3)鉆孔灌注樁組成的支護(hù)排樁，其受力形式與地下連續(xù)墻相似，又由于樁頂冠梁連接加強(qiáng)了整體性，所以計(jì)算中便可以按樁墻抗彎剛度相等的原則等價(jià)為一定厚度的壁式地下連續(xù)墻進(jìn)行內(nèi)力分析。按照以前的經(jīng)驗(yàn)證明，按等價(jià)的壁式地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)，結(jié)果是偏于安全的、合理的[2]。

(1)

式中，h—連續(xù)墻的厚度；η—經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)；D—支護(hù)樁的直徑；L—樁心間距。

故取支護(hù)排樁有效厚度為1m，并假定為彈性材料，在二維模型中采用梁單元。支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

(4)土體的本構(gòu)模型選擇莫爾—庫倫模型。

2.2 有限元網(wǎng)格劃分及邊界處理?xiàng)l件

地表沉降影響范圍可達(dá)基坑開挖深度的5倍，主要影響區(qū)在開挖深度的1倍范圍內(nèi)，距開挖區(qū)1～2倍范圍內(nèi)為次要影響區(qū)，在確定邊界時(shí)，一般取基坑開挖的影響深度為開挖深度的2～4倍，影響寬度開挖深度的3～4倍[3]。結(jié)合工程實(shí)際情況及圍堰位移分析結(jié)果可知，沉降均未超過8mm，因此本文在數(shù)值模擬過程中不考慮圍堰和波浪荷載作用。數(shù)值基坑模型長40m，寬30m。

在有限元模擬中，網(wǎng)格的劃分精度及均勻性對計(jì)算結(jié)果會產(chǎn)生較大的影響。本工程二維網(wǎng)格劃分路線是：首先利用映射網(wǎng)格K-線面功能劃分基坑內(nèi)部網(wǎng)格，定義單元尺寸為1m，并分別定義各土層屬性；再利用自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能劃分基坑外部區(qū)域；然后對支撐及樁單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，分別定義屬性[4]。

采用位移約束邊界條件：地表面只有模型四周約束法相水平位移，底面約束(x，y，z)3個(gè)方向約束，如圖1、2所示。

表1 各土層物理指標(biāo)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 基坑二維有限元網(wǎng)格

2.3 定義荷載

(1)定義自重荷載：在荷載選項(xiàng)下選擇自重，并定義Y方向自重系數(shù)為-1。

(2)定義超載：在荷載選項(xiàng)下選擇壓力荷載，定義基坑兩側(cè)土體為施加荷載區(qū)域，選擇荷載方向，確認(rèn)。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

泵站深基坑開挖過程中水平位移、沉降以及軸力在實(shí)際監(jiān)測及施工過程中尤為重要，每個(gè)數(shù)值的改變都能反映出相應(yīng)基坑開挖的安全與否，以下為有限元模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析與研究。

3.1 水平位移

由圖2可以看出，在開挖完成時(shí)最大水平位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角1截面基坑邊界20m深處，最大變形為23.89mm，在控制范圍內(nèi)。各截面水平位移隨著深度的增加，總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢?；禹敳坑捎谥巫饔盟轿灰葡蚧油鈧?cè)偏移，底部由于土壓力的作用強(qiáng)于支撐則向基坑內(nèi)部偏移。

圖2 開挖完成各截面水平位

3.2 基底豎向位移

由圖3可以看出，基坑底部豎向位移隨著開挖深度的增大而增大，最大位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角1截面第五步開挖完成時(shí)，最大隆起值為163.24mm，也在控制范圍內(nèi)。

圖3 各截面不同施工階段基地最大隆起值

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力

由圖4可知，支撐由上到下軸力成遞增趨勢，第5道支撐由于相對較短，所以出現(xiàn)了軸力變小的情況。最大支撐軸力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角1的第4道支撐，其值為700kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 各截面支撐軸力

4 結(jié)語

目前我國深基坑工程越來越多，且越發(fā)復(fù)雜，對深基坑變形的控制也越來越嚴(yán)格。本文以白沙灘泵站深基坑工程為例，利用Midas/GTS軟件研究該工程施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、基底隆起、支撐軸力等的變化規(guī)律，并得到以下結(jié)論：

(1)有限元Midas/GTS軟件建立的工程模型很好地模擬了基坑開挖的過程，夠使基坑施工變得可視化、信息化，可以為類似工程提供參考。

(2)隨著施工的進(jìn)行，土體不斷被挖出，支護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移不斷增大，開挖面以上部分水平位移明顯比開挖面以下部分大，由于支撐作用，樁體位移在支撐位置附近明顯減小。

(3)基坑坑底隆起規(guī)律為兩邊小中間大，類似于倒扣的“盆”。可進(jìn)一步通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對其計(jì)算結(jié)果的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

(4)支撐軸力總體上呈由小變大并趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律。在多道支撐中從上到下軸力依次增大，其中靠近坑底的支撐軸力最大同時(shí)變化也較大。