吳承坤,阮永芬*,吳承東,方 超,趙禮萍,吳青伶, 張 博,李建柱,南 敢
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軟土地區(qū)基坑工程參數(shù)影響的敏感性分析
吳承坤1,阮永芬1*,吳承東2,方 超1,趙禮萍3,吳青伶4, 張 博1,李建柱5,南 敢1
(1. 昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院,云南 昆明 650504;2. 昆明學(xué)院 社會管理學(xué)院,云南 昆明 650214; 3. 云南大學(xué) 艾思奇哲學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650504;4. 云南遠(yuǎn)信科技有限公司,云南 昆明 650200; 5. 中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院,云南 昆明 650001)
內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,在深厚軟土場地及周邊環(huán)境復(fù)雜的深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用,參數(shù)選取對基坑支護(hù)方案選取具有重要的理論意義和實(shí)用價值。根據(jù)工程實(shí)例,采用理正深基坑7.0PB1軟件,對k法、m法,軟土層分布位置、厚度、厚深比、土層的c、?值等變化對支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力、位移、彎矩、剪力、軸力的影響進(jìn)行分析。經(jīng)過對計(jì)算數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn):用k法或m法計(jì)算,軟土層分布位置及厚度、厚深比、土層的c、?值等變化對支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力、位移、彎矩、剪力、軸力均有影響。通過對參數(shù)變化的計(jì)算分析,了解支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力及內(nèi)力對參數(shù)變化的敏感性,從而為采用內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時參數(shù)的選擇以及方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時提供參考。
軟土;基坑支護(hù);設(shè)計(jì)參數(shù);深基坑
環(huán)滇池的大部分地區(qū),廣泛分布著面積巨大且深厚的湖相沉積泥炭土及高壓縮性的粘土,而這些地區(qū)現(xiàn)已成為城市發(fā)展的核心。在此場地的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中影響因素非常多,如場地地質(zhì)環(huán)境和基坑外臨近建(構(gòu))筑物復(fù)雜,使得基坑支護(hù)設(shè)計(jì)過程中方案比選困難。近年來針對基坑開挖對鄰近建構(gòu)筑物的影響研究十分廣泛[1-4],鄭剛等人[5]指出基坑外鄰近建筑物不能僅靠現(xiàn)行規(guī)范簡單確定,還應(yīng)進(jìn)行專門的變形分析。王春艷等人[6]提出的圓環(huán)支撐體系水平剛度計(jì)算解析式。TW Lambe等人[7]提出卸荷狀態(tài)與加荷狀態(tài)下土體的工程性質(zhì)差異很大。但對一些重要的影響因素,如計(jì)算時采用k法還是m法,泥炭土及高壓縮性的粘土層分布的位置、分布的厚度、厚深比、土層的c值和?值等參數(shù)的變化對作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力如何影響,很少有學(xué)者對其進(jìn)行研究分析。工程中廣泛應(yīng)用[8,9]總應(yīng)力法來對基坑開挖穩(wěn)定性及基坑支護(hù)荷載值進(jìn)行評估,土的c值和?值等參數(shù)對其有直接聯(lián)系。工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,考慮到勘察報告提供的設(shè)計(jì)參數(shù)有問題或試驗(yàn)室提供的物理力學(xué)指標(biāo)不準(zhǔn)確等,會給支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全及經(jīng)濟(jì)帶來影響。所以對基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的影響因素進(jìn)行研究分析是非常有意義的。
據(jù)統(tǒng)計(jì)[10,11],在全世界有總面積大于415.3萬km2的泥炭土(軟土)分布在59個國家和地區(qū),其中我國有約4.2萬km2的分布面積。在固結(jié)過程中深厚軟土層變形甚至達(dá)到了80%[12,13],往往有很大的壓縮性。昆明地區(qū)泥炭質(zhì)土有機(jī)質(zhì)含量高,壓縮性高,孔隙比大,含水量大,抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)[14]。本工程實(shí)例中存在一定厚度的泥炭質(zhì)土(軟土),早先已有專家研究過其對建筑地基的影響[15]、滲透系數(shù)[16]、力學(xué)特性[14],以及軟土地基施工擾動[17]等的研究,也有學(xué)者把軌道交通[18]、勘測技術(shù)[19]、壓力測量[20]、建筑工程項(xiàng)目管理[21]、水利和礦山檢測[22,23]等與物聯(lián)網(wǎng)等相結(jié)合起來分析研究其間的影響,但是很少有學(xué)者把軟土與理正深基坑設(shè)計(jì)計(jì)算軟件結(jié)合起來研究軟土對深基坑內(nèi)支撐影響。現(xiàn)基于理正深基坑7.0PB1設(shè)計(jì)軟件針對泥炭土土層分布的位置、分布的厚度、厚深比以及土層的c值和?值對深基坑中內(nèi)支撐支護(hù)形式的土壓力、位移、彎矩、剪力和軸力的影響進(jìn)行研究。
擬建場地位于昆明市區(qū)的帶一層地下室4層商業(yè)建筑?;A(chǔ)筏板頂標(biāo)高為1 888.90 m,筏板厚度為0.6 m,基坑底標(biāo)高為1 888.20 m。電梯井加深1.6 m,距地下室外墻的距離為10.3 m。現(xiàn)場場地高程約 1 896.20~1894.20 m之間,基坑開挖深度為7.14~7.72 m,基坑開挖周長為203.67 m,基坑開挖面積為2511.27 m2。場區(qū)土層劃分及土層的物理力學(xué)指標(biāo)取值如表1 所示。
表1 土層的物理力學(xué)指標(biāo)
Tab.1 Physical and mechanical indexes of soil layer
由于周邊環(huán)境復(fù)雜,建構(gòu)(筑)物離基坑較近,所采用內(nèi)支撐型式進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。現(xiàn)以基坑支護(hù)2-2剖面為例進(jìn)行計(jì)算分析,為便于比較分析,把土層厚度經(jīng)整理后每層土厚為3 m,文中的數(shù)據(jù)1為實(shí)際工程中坑深最小的2-2剖面經(jīng)整理后得到的數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)2為實(shí)際工程中坑深最大的5-5剖面經(jīng)整理后得到的數(shù)據(jù)。進(jìn)行軟土分布厚度、分布位置、計(jì)算軟件的不同等對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析。
圖1 基坑平面布置圖
支護(hù)樁長L=14.5 m,嵌固深度8.7 m,樁直徑?=1 000 mm,樁間距1 200 mm,泥炭土層參數(shù):重度γ=14 kN/m3,粘聚力c=13.7 kPa,內(nèi)摩擦角?=6°。計(jì)算剖面如圖2所示。用增量法計(jì)算內(nèi)力;一級支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級;C30鋼筋混凝土樁強(qiáng)度,圓形樁截面,冠梁寬1.2 m高0.8 m,0.5 MN/m的水平側(cè)向剛度;放坡級數(shù)是1;坡比1:0.5,坡高1.37 m;坑邊附加荷載5 kPa。
取兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)1簡寫為“1”;數(shù)據(jù)2簡寫為“2”。(數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2),分別用m法和k法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算工況工況如表2所示,計(jì)算得到的土壓力分布圖見圖3、圖4,支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布圖見圖5至圖12所示。
圖2 計(jì)算剖面圖
表2 工況信息
Tab.2 Working condition information
圖3 土壓力的分布圖(1)
根據(jù)土壓力計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示,基坑支護(hù)在m法及k法下,作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力的分布沒有區(qū)別,也不受開挖工況的影響;但對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)土壓力的分布有影響,k法計(jì)算的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)土壓力偏小。從圖5和圖6可以看出m法和k法下得出的坑外水平位移相同;坑內(nèi)水平位移在工況2時變化規(guī)律一致,但在工況1時m法中所得水平位移大于k法所得水平位移。從圖7和圖8可知,支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)彎矩大小相差不大;支護(hù)外側(cè)m法得到的彎矩大于k法得到的彎矩,但趨勢相同。從圖9和圖10可知,基坑開挖支撐開始之前m法得到的剪力小于k法得到的剪力,之后m法得到的剪力大于k法得到的剪力且變化趨勢一致。從圖11和圖12可知,m法得到的軸力大于k法得到的軸力。從以上的分析知,m法得到的彎矩及軸力大于k法的。
圖4 土壓力的分布圖(2)
圖5 位移的分布圖(1)
圖6 位移的分布圖(2)
圖7 彎矩的分布圖(1)
圖8 彎矩的分布圖(2)
基于數(shù)據(jù)1分別把第1、2、3、4、5、6、7層土置換成軟土(約3倍坑深范圍內(nèi))。基于m法用彈性法計(jì)算得到數(shù)據(jù),取每組數(shù)據(jù)中的最大值為代表值制成如下圖。
圖9 剪力的分布圖(1)
圖10 剪力的分布圖(2)
圖11 軸力的分布圖(1)
圖12 軸力的分布圖(2)
圖13 土壓力的分布圖
圖14 位移的分布圖
圖15 彎矩的分布圖
圖16 剪力和軸力的分布圖
由圖13知調(diào)動軟土層的位置對基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土壓力分布影響不大;但對坑內(nèi)側(cè)土壓力分布影響較大。由圖14知軟土層位置變化對坑外側(cè)水平位移影響不大,但對坑內(nèi)側(cè)水平位移影響較為明顯,換第2、3層土(坑底以上)坑內(nèi)水平位移變化也大,換第3層以下的土層時,即坑底以下,對坑內(nèi)水平位移的影響就很小。由圖15知置換土層對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)彎矩影響不大,外彎矩影響較明顯。由圖16知置換土層對剪力和軸力影響大。
為了考慮軟土層分布厚度對土壓力及作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上內(nèi)力的影響,從地表開始3 m增加軟土厚度進(jìn)行分析,軟土厚分別為0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m、21 m,基于m法用彈性法計(jì)算得到數(shù)據(jù),取每組數(shù)據(jù)中的最大值為代表值制成如下圖。
圖17 土壓力的分布圖
由圖17知隨著軟土厚度的增加作用在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力逐漸減小,但對支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土壓力分布影響不大,對內(nèi)側(cè)土壓力分布影響比較明顯。由圖18知隨著軟土厚度的增加基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大,對支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)水平位移影響小,對內(nèi)側(cè)水平位移影響比較明顯,軟土厚度為3 m時,內(nèi)側(cè)水平位移最小,軟土厚度≥12 m時,內(nèi)側(cè)水平位移趨于穩(wěn)定。由圖19知,軟土層厚度對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外彎矩影響大,內(nèi)彎矩影響小。由圖20知軟土層厚度變化對支護(hù)結(jié)構(gòu)剪力影響大,它們在軟土層厚度為3 m時都有最小剪力和最小軸力,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力隨軟土厚度增加。
圖18 位移的分布圖
圖19 彎矩的分布圖
圖20 剪力和軸力的分布圖
為分析軟土厚度對土壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,采用軟土的厚度d與基坑深度h之比,即厚深比作為參數(shù)進(jìn)行分析研究。深厚比從0開始每次增加0.1,直到0.6為止?;跀?shù)據(jù)1,從地表開始逐漸增加軟土層厚度與基坑深度的比值,即逐漸增加軟土層的厚度,每一次計(jì)算增加0.717 m?;趍法用彈性法計(jì)算得到數(shù)據(jù),取每組數(shù)據(jù)中的最大值為代表值制成如下圖。
圖21 土壓力的分布圖
圖22 位移的分布圖
圖23 彎矩的分布圖
圖24 剪力和軸力的分布圖
由圖21、22知,d/h=0~0.6時對土壓力分布及坑外水平位移沒有影響,坑內(nèi)側(cè)土壓力與坑外側(cè)土壓力相差不大。對支護(hù)結(jié)構(gòu)坑外側(cè)水平位移無影響,對支護(hù)結(jié)構(gòu)坑內(nèi)側(cè)水平位移有影響。由圖23知,軟土厚深比對支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩有影響,當(dāng)d/h=0.1~0.4時內(nèi)彎矩穩(wěn)定。由圖24知,軟土厚深比對支護(hù)結(jié)構(gòu)的剪力和軸力影響不大,剪力變化趨勢和軸力一致。
為分析土層c值變化對土壓力及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,采用c值作為參數(shù)進(jìn)行分析研究。c值分別為10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa、30 kPa、35 kPa、40 kPa、45 kPa、50 kPa?;跀?shù)據(jù)1,數(shù)據(jù)1中所有土層信息改為同一種土,且該土?=15°,重度γ= 19 kN/m3,c值每5kPa為一個梯度增加一次,每增加一次c值記錄一組數(shù)據(jù),基于m法用彈性法計(jì)算得到數(shù)據(jù),取每組數(shù)據(jù)中的最大值為代表值制成如下圖。
由圖25可以看出,c值對支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力分布的影響大。由圖26可以看出,c值對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)水平位移影響小,對內(nèi)側(cè)水平位移影響大。由圖27可以看出,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外彎矩隨c值的增加變化的很活躍,在c=15 kPa時,外彎矩有最小值。c值對內(nèi)彎矩影響小,c=35 kPa時,內(nèi)彎矩為0。從圖28中可以看出,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的剪力和軸力隨著c值的變化力的大小變化趨勢基本相同,c值越大對剪力和軸力的影響越小。
圖25 土壓力的分布圖
圖26 位移的分布圖
圖27 彎矩的分布圖
圖28 剪力和軸力的分布圖
為了考慮軟土層?值對土壓力及作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上內(nèi)力的影響,采用?值5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°?;跀?shù)據(jù)1,數(shù)據(jù)1中土層信息改為全部為一種土,且該土c=20 kPa,重度γ=19 kN/m3,?值從5°開始每5°為一個梯度增加一次,直到增加到35°。所帶入計(jì)算的每增加一次?值記錄一組數(shù)據(jù),基于m法用彈性法計(jì)算得到數(shù)據(jù),取每組數(shù)據(jù)中的最大值為代表值制成如下圖。
圖29 土壓力的分布圖
圖30 位移的分布圖
圖31 彎矩的分布圖
圖32 剪力和軸力的分布圖
由圖29可以看出,隨著?值增加土壓力減小,且對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的影響大于內(nèi)側(cè)。由圖30可以看出,隨著?值增加,支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移減小,對外側(cè)水平位移的影響小,對內(nèi)側(cè)水平位移的影響大。由圖31可以看出,隨著?值增加,支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩減小,對外彎矩的影響比內(nèi)彎矩的影響大。由圖32可以看出,隨著?值增加,支護(hù)結(jié)構(gòu)剪力和內(nèi)撐軸力都減小,?值越大剪力和軸力越小。
k法、m法,軟土層位置及厚度、土的c值和?值等對理正深基坑7.0PB1計(jì)算所得結(jié)果的土壓力、位移、彎矩、剪力、軸力都有一定的影響,采用內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)選擇參數(shù)時應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。由以上的分析知結(jié)論如下:
(1)基坑支護(hù)在m法及k法下,用彈性法得出的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力、外側(cè)水平位移和內(nèi)彎矩所受影響??;對內(nèi)側(cè)土壓力、內(nèi)側(cè)水平位移、外彎矩、剪力和軸力的影響大,且m法計(jì)算所得結(jié)果大于k法計(jì)算所得結(jié)果。
(2)變化軟土層位置對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力、外側(cè)水平位移和內(nèi)彎矩影響小,對內(nèi)側(cè)土壓力、內(nèi)側(cè)水平位移、外彎矩、剪力和內(nèi)撐軸力影 響大。
(3)軟土層的厚度對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土壓力、外側(cè)水平位移和內(nèi)彎矩的影響小,對內(nèi)側(cè)土壓力、內(nèi)側(cè)水平位移、外彎矩、剪力和內(nèi)撐軸力影響大。
(4)軟土厚深比d/h=0~0.6時對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力和外側(cè)水平水平位移沒影響,對內(nèi)側(cè)水平位移影響比較明顯;對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩影響大,對軸力和剪力影響小。
(5)c值對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力、內(nèi)側(cè)水平位移、外彎矩、剪力和軸力影響大;對外側(cè)水平位移和內(nèi)彎矩影響小,內(nèi)彎矩、剪力和軸力隨c值增加而減小。
(6)隨著?值增加,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力、水平位移、彎矩、剪力以及軸力都減小。
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Sensitivity Analysis about Influence of Foundation Pit Engineering Parameters in Soft Soil Area
WU Cheng-kun1, RUAN Yong-fen1*, WU Cheng-dong2, FANG Chao1, ZHAO Li-ping3, WU Qing-ling4, ZHANG Bo1, LI Jian-zhu5, NAN Gan1
(1. Faculty of Civil Engineering and Mechanics, Kunming University of Science and Technology, Kunming, 650504, Yunnan, China;2. Institute of Social Management, Kunming University, Kunming, 650214, Yunnan, China;3. Aisiqi School of Philosophy, Yunnan University, Kunming, 650504, Yunnan , China;4. Yunnan Yuanxin Technology Co., Ltd. Kunming, 650200, Yunnan, China;5. Kunming Engineering & Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co. Ltd., Kunming, 650051, China)
The structure system of internal supporting is widely used in the design of deep foundation pit with deep soft soil site and complex surrounding environment. The selection of parameters has important theoretical significance and practical value for the selection of the foundation pit supporting scheme. According to the engineering example and using 7.0PB1 software of LiZheng deep foundation pit, the paper analyzes the influences about K method, m method, distribution position, thickness, ratio of depth to thickness, c and φ of soft soil layer on the soil pressure , displacement, bending moment, shear force and axial force. Through comparison and analysis of the calculated data, it is found that soil pressure, displacement, bending moment, shear force and axial force of supporting structure are affected by the K method, m method, distribution position, thickness, ratio of depth to depth, c and φ of soft soil layer. By the analysis and calculation of the change of parameters, the sensitivity of soil pressure and internal force to the change of parameters on the support structure are understood, which can provide references for the selection of parameters and optimization design of the scheme of the support while using the internal support.
Soft soil; Foundation pit support; Design parameters; Deep foundation pit.
TU447
A
10.3969/j.issn.1003-6970.2018.09.032
吳承坤(1994–),男,研究生,主要研究方向:巖土工程;吳承東(1995–),男,本科生,主要研究方向:城市管理;方超(1993–),男,研究生,主要研究方向:巖土工程;趙禮萍(1994–),女,研究生,主要研究方向:馬克思主義哲學(xué);吳青伶(1992–),女,測試工程師,主要研究方向:計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù);張博(1993–),男,研究生,主要研究方向:巖土工程;李建柱(1990–),男,助理工程師,主要研究方向:巖土工程;南敢(1993–),男,研究生,主要研究方向:巖土工程。
阮永芬(1964–),女,教授,主要從事巖土工程方面的教學(xué)和科研。
本文著錄格式:吳承坤,阮永芬,吳承東,等. 軟土地區(qū)基坑工程參數(shù)影響的敏感性分析[J]. 軟件,2018,39(9):158-165