陳寶林

(1.福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建福州 350108； 2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟與基建的不斷發(fā)展，基坑的開挖深度、外輪廓形狀以及周邊環(huán)境越發(fā)復雜[1-3]。近年來城市規(guī)模不斷擴大，高速鐵路周邊工程項目日益增加。而高速鐵路正常運營時對軌道的變形有著極其嚴格的要求。為保證基坑開挖順利進行和鐵路線的正常運營，一般需要對臨近既有高鐵的基坑開挖進行專項設(shè)計并進行系統(tǒng)的工程安全評估工作，但是按現(xiàn)有的規(guī)范標準很難對此類工程項目進行評估[4-5]。因此，有必要采用數(shù)值分析方法對此類工程進行分析。本文用三維有限元軟件ABAQUS[6]對福州市區(qū)某臨近既有高鐵運營線的深基坑開挖進行數(shù)值分析，以期能得到基坑支護體系、周圍建筑物和土體的受力和變形特性，能給類似基坑開挖的設(shè)計、施工、監(jiān)測提供有利的參考。

1 工程概況

1.1 項目簡介

該項目為棚戶區(qū)改造安置用房，含主樓(14F)、裙房(2F)及地下2F，地下室基坑長約6.3m，寬約46m，設(shè)計開挖深度約為5.6m～7.4m。擬建工程位于福州市晉安區(qū)北三環(huán)路琴亭高架橋附近，場地南側(cè)約20m處為既有高鐵營業(yè)線(合福下行線中心線)?；悠矫媸疽馊鐖D1所示。

圖1 基坑平面示意圖

1.2 工程地質(zhì)特征(表1)

表1 場地巖土體設(shè)計參數(shù)取值

1.3 基坑支護設(shè)計方案

基坑南側(cè)臨近既有高鐵營業(yè)線，其控制軌道路基的最大沉降值不大于3mm，上浮控制值為2mm；水平位移：-3mm～+3mm。針對基坑所處的特殊位置，且為深基坑。在基坑南側(cè)設(shè)計采用φ1000mm，間距750mm，樁長約27m的咬合樁并布置一道混凝土支撐，距坑邊3m處布置一排φ1000mm，間距750mm，樁長約20m的素混凝土隔離樁；其余各側(cè)均采用φ1000mm，間距1500mm，樁長約12m～15m的圍護樁，在外側(cè)布置φ750mm，樁長約27m的雙輪攪拌止水帷幕，設(shè)置一道混凝土支撐。基坑南側(cè)典型剖面圖如圖2所示。

圖2 基坑南側(cè)典型剖面圖

2 基坑三維有限元模型

由于基坑形狀的不規(guī)則，且在南側(cè)臨近既有高鐵營業(yè)線，受力分析和變形特性較復雜，局部地區(qū)可能存在較大變形，采用傳統(tǒng)二維分析方法將無法客觀全面地反映基坑開挖時各種性狀。因此，本文應(yīng)用三維大型有限元軟件ABAQUS在三維空間狀態(tài)下模擬基坑開挖，但同時為了不使問題變得復雜，本文作如下假定：

(1)假設(shè)基坑開挖時已完成降水，在開挖時土體中產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散緩慢，此時進行短期穩(wěn)定性分析時不考慮流固耦合和時間效應(yīng)。

(2)假設(shè)基坑圍護結(jié)構(gòu)和隔離樁為線彈性材料，在整個基坑開挖過程中，其受力狀態(tài)始終處于彈性階段。

(3)不考慮開挖和支護結(jié)構(gòu)的施工過程，開挖為分期開挖，每層開挖為線性卸載過程。

2.1 幾何模型與單元選擇

圖3 模型示意圖及網(wǎng)格劃分(一)

圖4 模型示意圖及網(wǎng)格劃分(二)

根據(jù)實際工程特點建立三維基坑有限元分析模型，模型示意及網(wǎng)格劃分如圖3～圖4所示。路基面寬度為8.8m，軌道分布寬度為3.4m，軌道自重17.3kN/m2，列車荷載36.8kN/m2，總荷載54.1kN/m2，同時考慮地面超載20kPa以及鋼筋混凝土支撐梁頂部超載4kPa。模型中土層由上到下依次為雜填土、淤泥、卵石、全風化花崗巖、強風化花崗巖。模型在與X軸、Y軸垂直的4個側(cè)面邊界上將其法向位移約束，在模型的底面(垂直于Z方向的法平面)約束X、Y、Z三個方向的位移。隔離樁和圍護樁與土的接觸的法向模型采用硬接觸來模擬，切向模型采用罰函數(shù)的黏滑接觸摩擦模型，樁土摩擦系數(shù)通過式μ=tan(0.75φ)計算得到。模型土體和路基均采用六面體線性應(yīng)力單元(C3D8)，基坑圍護樁、隔離樁均采用殼單元(S4)，支撐桁架采用梁單元(B31)。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系及計算參數(shù)

土體采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型，隔離樁和圍護結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。根據(jù)勘查資料及工程經(jīng)驗確定模型計算參數(shù)，如表2所示。

表2 模型計算參數(shù)表

3 有限元結(jié)果分析

3.1 基坑南側(cè)水平位移分析

基坑開挖過程中，對基坑圍護樁、周邊建筑、臨近高鐵路基進行了全程監(jiān)測。在基坑開挖結(jié)束后，選取靠近高鐵路基的基坑南側(cè)兩個監(jiān)測點的實測水平位移與計算模型數(shù)據(jù)進行對比,如圖5所示。

圖5 基坑南側(cè)監(jiān)測點示意圖

1#、2#監(jiān)測點水平位移如圖6～圖7所示。從位移曲線的變化特征來看，支撐極大地限制了基坑頂?shù)奈灰?，位移隨著深度增加而增大，位移在靠近基坑底面處達到最大值，隨后位移逐漸減少，在圍護樁底部位移趨于零。由圖可知，實測值與計算值曲線形態(tài)相近，數(shù)值相差不大，說明計算模型較好地模擬了現(xiàn)場基坑的開挖。實測值較計算值偏小，考慮到前文的假設(shè)及土本構(gòu)關(guān)系、計算模型參數(shù)的選取問題，模型計算是偏于安全的，也說明了該支護方案是安全可行的。

圖6 1#監(jiān)測點水平位移曲線圖

圖7 2#監(jiān)測點水平位移曲線圖

圖8 路基水平位移云圖

3.2 臨近路基位移分析

由于該基坑開挖周邊環(huán)境復雜，尤其在南側(cè)為現(xiàn)有運營高鐵線，現(xiàn)有高鐵線對變形要求極其嚴格。經(jīng)模型計算，基坑開挖過程中，線路路基產(chǎn)生的最大水平位移為1.54mm，最大豎向位移為2.51mm。實測最大水平位移為1.71mm，最大豎向位移為2.63mm。說明該基坑支護方案針對南側(cè)運營高鐵線加設(shè)隔離樁的支護方案有效地控制了臨近路基的變形且提高了基坑的穩(wěn)定性。

圖8～圖9為路基的水平及豎向位移云圖。由圖可知沿著路基中軸線，位移在靠近基坑的位置處達到最大值，遠離基坑位置逐漸減少。從靠近基坑處的路基橫斷面來看，遠離基坑方向的水平位移在路基邊坡坡肩處最大，朝向基坑方向的位移在路基坡趾處最大。豎向位移(方向向下)在路基橫斷面的中心處最大，豎向位移(方向向上)在路基坡趾處最大。

圖9 路基豎向位移云圖

圖10 基坑支撐變形云圖

圖11 基坑等效偏應(yīng)力云圖

3.3 基坑支撐分析

圖10～圖11為基坑支撐變形云圖、等效偏應(yīng)力云圖。由圖可知，基坑支撐變形在圖10中標示處達到最大值，說明該處位移大，比較容易失穩(wěn)，在支撐設(shè)計時可加大該處的支撐剛度?；又蔚刃珣?yīng)力在圖11所示處達到最大值，說明該處為支撐受力較薄弱的位置，可適當增加該處的強度。

3.4 基坑周圍土體分析

圖12為基坑周圍土體的等效塑性應(yīng)變云圖，由圖可知，塑性應(yīng)變沿著基坑邊呈弧形向外擴散，在基坑邊中點較大，兩邊較小，遠離基坑邊塑性應(yīng)變趨于零；在基坑南側(cè)只有局部區(qū)域發(fā)生了塑性應(yīng)變。圖13為基坑周圍土體等效偏應(yīng)力云圖，由圖知，其呈3/4圓包圍住基坑；在基坑南側(cè)，土體等效應(yīng)力幾乎為零。

圖12 基坑周圍土體等效塑性應(yīng)變云圖

圖13 基坑周圍土體等效偏應(yīng)力云圖

圖14為基坑周圍土體豎向位移云圖。由圖知，其沉降最大值在距離基坑邊一定距離的位置，位移等值線以最大值為中心呈扁條形向外擴散?；觾?nèi)有向上的隆起的位移。靠近基坑南側(cè)的土體的沉降和隆起都很小。

圖14 基坑周圍土體豎向位移云圖

綜上分析說明，通過模型計算由基坑周圍土體等效塑性應(yīng)變云圖、等效偏應(yīng)力云圖及豎向位移云圖可確定基坑開挖時周圍土體的受力變形特性、影響區(qū)域范圍和極值點，能給基坑開挖的設(shè)計、施工、監(jiān)測提供有利的參考。該工程實例說明，在基坑南側(cè)加設(shè)隔離樁有效地阻斷了臨近高鐵正常運營和基坑開挖之間的相互影響，達到了該基坑設(shè)計要求的目標。

4 結(jié)論

(1)該工程周邊環(huán)境復雜又臨近既有運營高鐵路線，采用ABAQUS軟件對基坑開挖進行數(shù)值分析模擬，對該支護方案進行驗算，經(jīng)過施工監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明，模型計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果誤差控制在15%以內(nèi)。數(shù)值分析能較好地模擬基坑開挖的過程，能給基坑開挖的設(shè)計、施工、監(jiān)測提供有利參考。

(2)臨近路基水平位移在路基邊坡坡肩處、路基坡趾處最大。豎向位移在路基橫斷面的中心處及路基坡趾處最大。施工監(jiān)測時，應(yīng)重點監(jiān)測路基坡肩、坡趾及路基橫斷面的中心處，并采取一定的加固措施。

(3)通過數(shù)值分析模擬，找到基坑支撐體系的較薄弱位置，在設(shè)計和施工時應(yīng)予以重點考慮?？刹捎迷黾釉撎幹螐姸取偠?、加密該處的支撐等，使受力更加合理，節(jié)約成本。

(4)基坑開挖時，周圍土體的塑性應(yīng)變和等效偏應(yīng)力的最大值在基坑邊靠近中心處的位置。沉降最大值在距離基坑邊一定距離的位置。在基坑南側(cè)加設(shè)隔離樁，有效阻斷了路基周圍土體因基坑開挖而產(chǎn)生的變形，既保證了基坑的正常開挖施工，又不影響高鐵線的正常運營，達到了該基坑設(shè)計要求的目標。