李潮

(長江大學城市建設(shè)學院，湖北 荊州 434023)

近年來，隨著橋梁工程建設(shè)規(guī)模越來越大，錨碇基坑也向超大、超深的方向發(fā)展，為了深入了解錨碇基坑的受力變形性狀，更好地為設(shè)計施工服務(wù)，一些學者采用數(shù)值方法對錨碇基坑開展了研究。劉化圖等[1，2]介紹了武漢陽邏長江大橋南錨碇基坑內(nèi)襯及支護結(jié)構(gòu)的計算方法。李劭暉等[3]采用數(shù)值方法結(jié)合實測數(shù)據(jù)，總結(jié)了嵌巖地下連續(xù)墻的受力與變形特征。劉春原等[4]對不同工況下圓形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行了分析。王琨等[5]對珠江黃埔大橋錨碇基坑施工過程進行仿真計算，分析了圓形嵌巖地下連續(xù)墻的拱效應(yīng)及開挖深度對墻體受力變形的影響。任麗芳等[6]采用三維有限元結(jié)合實測數(shù)據(jù)，分析了基坑開挖過程中的地下連續(xù)墻水平位移及坑底隆起情況。陳希等[7]、段堅堤等[8]采用有限元法模擬某雙圓環(huán)形錨碇基坑開挖支護過程，認為雙圓環(huán)形基坑具有明顯的空間效應(yīng)和拱效應(yīng)。凌曉等[9]建立了有限元強度折減法評價圓形地下連續(xù)墻加內(nèi)襯支護結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。栗小祜等[10]通過有限元軟件分析地下連續(xù)墻在考慮內(nèi)襯收縮時的應(yīng)力與位移變化情況。崔劍鋒等[11]采用里茲法對圓形地下連續(xù)墻進行受力分析，并與有限元法計算結(jié)果對比，驗證了里茲法的準確性。靖振帥等[12]對重慶駙馬長江大橋錨碇基坑開挖施工過程進行三維模擬，分析了支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形。肖景平等[13]針對岳陽洞庭湖大橋錨碇葫蘆形基坑，探討了圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移、墻體鋼筋應(yīng)力和墻頂變形等實測值的變化規(guī)律。張軍等[14]分析了降水對地下連續(xù)墻受力與變形的影響，提出增大墻體厚度可在一定范圍內(nèi)提高地下連續(xù)墻的自穩(wěn)能力。徐江等[15]對非洲馬普托大橋南側(cè)錨碇深基坑進行模擬計算，預(yù)測了支護結(jié)構(gòu)墻體的變形及周邊地表沉降。

從現(xiàn)有文獻資料看，由于深大錨碇基坑數(shù)量較少，累積的資料數(shù)據(jù)還不多，對錨碇基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形研究不夠充分。為此，筆者結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，運用數(shù)值方法對棋盤洲長江公路大橋錨碇基坑開挖及內(nèi)襯施工進行全過程數(shù)值模擬，分析支護結(jié)構(gòu)的受力變形及周邊地表沉降變化特征，以期對類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

棋盤洲長江公路大橋項目起點位于湖北省陽新縣大冶湖南岸朱唐埠村，終點位于湖北省蘄春縣馬家咀，南錨碇位于東湖新村居民區(qū)內(nèi)。錨碇基礎(chǔ)開挖深度為49.8m，采用內(nèi)徑61m，壁厚1.5m，深度59.5～64m的圓形地下連續(xù)墻加鋼筋混凝土內(nèi)襯進行支護，內(nèi)襯從上往下依次為0～15m深、厚1m，15～30m深、厚1.5m，30～49.5m深、厚2.5m。地下連續(xù)墻嵌入中風化泥質(zhì)粉砂巖深度不小于3m，嵌入微風化巖深度不小于1.5m。采用逆作法島式開挖施工，分層開挖土體、施工內(nèi)襯，內(nèi)襯及土體分層厚度為3m，共有34個施工步。

2 數(shù)值模型

2.1 計算模型

考慮到計算效率，采用平面軸對稱計算模型，模型幾何尺寸：水平向取5倍基坑開挖、深度200m，豎向取120m，地下連續(xù)墻深度取為61m。邊界條件為側(cè)面水平約束，底面豎向約束。墻頂標高以上土體等效為40KPa均布荷載，距離基坑開口線20m范圍內(nèi)施工荷載為20kPa。有限元網(wǎng)格以四邊形為主，密度采用Single方式控制，在支護結(jié)構(gòu)附近處網(wǎng)格劃分較密，距支護結(jié)構(gòu)越遠，網(wǎng)格劃分越稀疏，最小網(wǎng)格尺寸0.5m，最大網(wǎng)格尺寸8m。不同于四節(jié)點線性完全積分單元，模型采用四節(jié)點線性減縮積分單元，只在單元的中心有一個積分點[16]，如圖1所示，網(wǎng)格劃分時未出現(xiàn)沙漏問題。計算模型及有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 單元類型 圖2 計算模型

2.2 材料模型

基于勘察報告[17]所提供資料，采用總應(yīng)力計算方法，材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，地層計算參數(shù)如表1所示?；炷恋腸、φ值按照李云安等[18]提出的公式進行換算取值，混凝土參數(shù)如表2所示。

2.3 計算方法與步驟

1)計算方法 數(shù)值模型基于ABAQUS平臺構(gòu)建，采用擬靜力方法，自適應(yīng)時間步長，每一增量步采用隱式迭代，自動阻尼及非對稱求解器，采用單元生死法模擬基坑開挖及施工內(nèi)襯。

2)計算步驟 第1步為地應(yīng)力平衡，第2步施加施工荷載，第3步至第36步模擬錨碇基坑開挖支護過程，依次開挖3m土體，施工3m內(nèi)襯，直至開挖第17層土體，施工第17層內(nèi)襯。

表1 地層參數(shù)

表2 混凝土參數(shù)

圖3 地下連續(xù)墻徑向位移監(jiān)測點示意圖

2.4 模型驗證

地下連續(xù)墻徑向位移監(jiān)測點布置如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測點CW1、CW3及CW6數(shù)據(jù)未出現(xiàn)異常，選取其進行數(shù)值模型驗證。

現(xiàn)場實測的錨碇基坑初始開挖及開挖完成時的地下連續(xù)墻徑向位移數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比曲線如圖4所示。圖4(a)施工工況為錨碇基坑開挖完第1層土，添加第1道內(nèi)襯。圖4(b)施工工況為基坑開挖至基底處，即開挖完第17層土，添加第17道內(nèi)襯。由圖4可知，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)符合度較好，模擬計算與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比說明數(shù)值模型較為合理，能夠較好地模擬錨碇基坑開挖施工過程。

圖4 地下連續(xù)墻徑向位移曲線

3 計算結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻應(yīng)力

地下連續(xù)墻應(yīng)力曲線如圖5所示，圖5(a)為地下連續(xù)墻徑向應(yīng)力曲線，徑向應(yīng)力以朝向基坑內(nèi)為正。由圖5(a)可知，在整個施工過程中，地連墻徑向應(yīng)力在基坑開挖深度范圍內(nèi)變化較小，變化幅度為0～0.07MPa，在墻身嵌巖部分應(yīng)力值增長較大。開挖至基底時，在58m處出現(xiàn)最大值0.81MPa。在墻身深度60.5～61m處出現(xiàn)徑向應(yīng)力反向，最大值為0.2MPa?？紤]開挖造成基坑內(nèi)外土壓力差，導致地連墻向基坑側(cè)偏移，而墻底由于基巖嵌固作用明顯，使得墻底出現(xiàn)向基坑外的徑向應(yīng)力。

圖5 地下連續(xù)墻應(yīng)力曲線

圖5(b)為地下連續(xù)墻環(huán)向應(yīng)力曲線，環(huán)向應(yīng)力以受壓為正，呈現(xiàn)向基坑內(nèi)凹形。由圖5(b)可知，環(huán)向壓應(yīng)力最大值位置隨著開挖而逐漸下移。從添加施工荷載至添加第13道內(nèi)襯，即基坑開挖深度在0～39m時，最大值位于開挖面以下1～10m范圍內(nèi)，而添加第14～17道內(nèi)襯,即基坑開挖深度在39～49.8m時，最大值位于開挖面以上1～8.5m范圍內(nèi)。在添加第12～17道內(nèi)襯時，最大值位于41m處。在添加第16、17道內(nèi)襯時，環(huán)向壓應(yīng)力最大值為5.3MPa。地下連續(xù)墻深度56～61m處為環(huán)向拉應(yīng)力，在58m達最大值，呈V型。由于基巖的嵌固、限制作用，使得環(huán)向拉應(yīng)力較小，約為墻體環(huán)向壓應(yīng)力的10%。

3.2 墻背土壓力

地下連續(xù)墻深度范圍內(nèi)的墻背外側(cè)土體壓力分布曲線如圖6所示。由圖6可知，錨碇基坑施工全過程中，在基坑開挖深度范圍內(nèi)，即0～49.8m段的墻背外側(cè)土壓力很小。在嵌巖段范圍內(nèi)，即49.8m～61m段的墻背外側(cè)土壓力隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，且均為正向土壓力，說明底部土體為主動土壓力。在深度58m處，土壓力達最大值0.85MPa。結(jié)合圖5(a)，地下連續(xù)墻體徑向應(yīng)力最大值為0.81MPa，兩者數(shù)值上基本相等。

3.3 地下連續(xù)墻徑向位移

不同工況下地下連續(xù)墻徑向位移曲線如圖7所示。由圖7可知，地下連續(xù)墻徑向位移曲線的變化形態(tài)與地連墻環(huán)向應(yīng)力曲線的變化形態(tài)相似，呈現(xiàn)向基坑內(nèi)凹形。最大位移值隨基坑開挖而下移，從添加施工荷載至添加第13道內(nèi)襯，即基坑開挖深度在0～39m時，最大值位于開挖面以下2～13m范圍內(nèi)，而添加第14～17道內(nèi)襯，即基坑開挖深度在39m～49.8m時，最大值位于開挖面以上1～8.5m范圍內(nèi)。在添加第13～17道內(nèi)襯時，最大值位于41m處。在添加第17道內(nèi)襯時，最大值為7.24mm，說明嵌巖圓形地下連續(xù)墻的拱效應(yīng)能有效降低墻體變形?；鶐r嵌固作用阻止了最大水平位移的進一步下移，在整個開挖施工過程中，墻底部徑向位移值較小，約為墻體最大徑向位移的8%～11%，表明墻體底部基巖對墻身變形約束效果顯著。

圖6 墻背土壓力分布曲線 圖7 地下連續(xù)墻徑向位移曲線

圖8 地下連續(xù)墻頂部豎向位移曲線

圖9 周邊地表沉降曲線

3.4 地下連續(xù)墻頂部豎向位移

地下連續(xù)墻頂部豎向位移曲線如圖8所示。由圖8可知，地下連續(xù)墻壁頂部豎向位移在整個施工過程中從0開始逐漸增大，并最終趨于穩(wěn)定值7.06mm，其中從初始添加施工荷載至開挖第11層土時，增長幅度較大。墻頂變形主要發(fā)生在基坑土體開挖時；而在添加內(nèi)襯時，地下連續(xù)墻壁頂部位移基本無變化。

3.5 周邊地表沉降

基坑周邊地表沉降分布曲線如圖9所示?；又苓叺乇沓两党氏掳夹?，地表沉降主要由施工荷載導致。而在基坑的開挖施工過程中，地表沉降變化不大，變化幅度約為0.1～0.3mm。最大沉降在距基坑6m處，為21.7mm。在距基坑開口線0～30m范圍內(nèi)，地表產(chǎn)生沉降。而在30～80m范圍內(nèi)，地表隆起0.1～0.15mm，主要考慮施工荷載導致周邊土體擠壓。根據(jù)模擬結(jié)果可知，距離基坑開口線100m范圍外地表基本無沉降，基坑施工造成的影響主要在2倍開挖深度范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

1)模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比表明，在選用合適的材料參數(shù)情況下，采用基于總應(yīng)力法的數(shù)值方法模擬深大錨碇基坑施工過程是可行的。

2)地下連續(xù)墻徑向應(yīng)力主要集中在墻身嵌巖部分，最大值0.81MPa；墻體環(huán)向應(yīng)力曲線與徑向位移曲線基本相似，呈內(nèi)凹形，應(yīng)力及位移最大值位置隨開挖而逐漸下移，表現(xiàn)為開挖0～39m時位于開挖面以下，開挖39～49.8m時位于開挖面以上，其中環(huán)向應(yīng)力以受壓為主，墻底附近出現(xiàn)環(huán)向拉應(yīng)力，約為環(huán)向壓應(yīng)力的10%，墻底徑向位移約為墻體最大徑向位移的8%～11%；施工中墻頂產(chǎn)生豎向位移，最大值7.06mm。

3)地下連續(xù)墻背外側(cè)土壓力主要位于嵌巖段范圍內(nèi)，且隨開挖深度增加而增大，最大值為0.85MPa；而在開挖深度范圍內(nèi)墻背土壓力很小。

4)周邊地表沉降主要產(chǎn)生由施工荷載導致，最大值為21.7mm，在基坑開挖過程中沉降變化較小，在2倍開挖深度范圍外，基坑開挖對地表沉降基本無影響。