楊 喆，晁 軍

(中煤西安設(shè)計(jì)工程公司，陜西 西安 710054)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，越來越多的工程都面臨著深基坑的問題。常用的研究方法主要有：理論方法、試驗(yàn)方法、數(shù)值法、理論與實(shí)際量測(cè)相結(jié)合的方法等。因數(shù)值方法較傳統(tǒng)方法有許多優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)今比較流行的方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其進(jìn)行了大量研究。如杜東寧等[1]、張玥[2]、朱建新[3]等采用有限元方法對(duì)深基坑開挖過程進(jìn)行了仿真分析。孟文清等[4]、郭力等[5]、韓健勇等[6]采用數(shù)值分析法對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形及穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。李四維等[7]、霍潤(rùn)科等[8]采用有限元與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行了深基坑開挖的變形分析。但是，當(dāng)前大部分的研究主要是針對(duì)高層、地鐵等形狀較為規(guī)則，面積較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)較為單一的深基坑進(jìn)行的。

目前，對(duì)于大型槽倉(cāng)，由于基坑支護(hù)深度大，結(jié)構(gòu)受限制，倉(cāng)壁坡度陡，變形控制要求高，有限元網(wǎng)格數(shù)目接近100萬單元，鮮見利用商用軟件進(jìn)行三維計(jì)算，商業(yè)軟件也無法計(jì)算這樣大的規(guī)模，三維并行計(jì)算更是未見先例。本次山西平朔東露天煤礦槽倉(cāng)的有限元計(jì)算，基于彈塑性模型進(jìn)行三維并行有限元力學(xué)分析[9，10]，散粒體計(jì)算采用了顆粒離散元算法[11，12]，共86.5萬單元，在曙光并行機(jī)上，利用40個(gè)節(jié)點(diǎn)即40個(gè)CPU進(jìn)行并行計(jì)算，每個(gè)方案計(jì)算25min左右。尤其是三維并行有限元算法和散粒體離散元算法，具有理論上的開創(chuàng)性，應(yīng)用于目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的儲(chǔ)煤槽倉(cāng)具有示范意義，因此該項(xiàng)目具有理論和應(yīng)用的雙重意義。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

平朔東露天煤礦選煤廠位于山西省朔州市，2009年1月5日開工建設(shè)。槽倉(cāng)設(shè)計(jì)儲(chǔ)量為20萬t，服務(wù)年限80a，為目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的儲(chǔ)煤槽倉(cāng)。槽倉(cāng)長(zhǎng)237.0m，上口寬38.3m，下口寬16.0m，深30.4m，倉(cāng)壁坡度為60°，槽底布置有高7.7m，寬16.0m的鋼筋混凝土輸煤暗道，暗道上部布置有3個(gè)鋼筋混凝土落煤筒。倉(cāng)體左側(cè)設(shè)備端開挖深31.2m，右側(cè)出口端深44.0m，其中上部32.6～35.0m為填方形成，下部8.4～14.0m開挖形成。槽倉(cāng)縱向板件跨度2.5～3.0m，最大變形縫間距20mm，基礎(chǔ)底板厚40mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，抗?jié)B等級(jí)S12，能儲(chǔ)容重為：1×10-5N/mm3，休止角為38°的煤約20萬t。

槽倉(cāng)位于黃土地層，倉(cāng)底位于地下水位以下，地層含有紅土軟弱夾層。在場(chǎng)地內(nèi)存在一走向北東—南西向的基巖陡坎面，基巖陡坎面以西基巖埋深較淺，以東基巖埋深較深，而基巖變化與天然斜坡坡形變化趨勢(shì)一致，故倉(cāng)體分為挖方段和填方段兩部分，挖填方分界線為基巖面變化的分界線[13-16]。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔揭露情況，場(chǎng)地地層自上而下主要有[17]：

⑦強(qiáng)風(fēng)化泥巖(P1x)：灰色-黃灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，具薄層水平層理，上部風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體破碎，風(fēng)化后松散，遇水崩解，塑性較強(qiáng)，在該層中發(fā)育有NE及NW兩組節(jié)理裂隙。

2 模型的建立

對(duì)于槽倉(cāng)這種復(fù)雜和大型的問題沒有現(xiàn)成的商用軟件，而PFEPG[18]是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外唯一的并行有限元程序自動(dòng)生成系統(tǒng)，本項(xiàng)目以PFEPG為開發(fā)和計(jì)算平臺(tái)，采用新的軟件開發(fā)模式，保證了槽倉(cāng)大型三維有限元計(jì)算問題能夠在短期內(nèi)完成。

為了保證有限元分析的精度和適應(yīng)槽倉(cāng)的模型，首先將整個(gè)復(fù)雜的槽倉(cāng)模型劃分為很多簡(jiǎn)單的子區(qū)域，將計(jì)算區(qū)域邊界上地層網(wǎng)格底部固定，作為參考計(jì)算平面，地層周邊邊界作為無窮遠(yuǎn)邊界處理；黃土地層等土體采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬，根據(jù)固體力學(xué)彈性及塑性理論選用適當(dāng)物理本構(gòu)模型。鋼筋混凝土部分，如落煤筒、倉(cāng)下暗道、兩側(cè)建筑擋墻等結(jié)構(gòu)，也采用實(shí)體單元模擬，采用小變形彈性力學(xué)及塑性力學(xué)理論分析；錨桿、錨索、土釘?shù)戎ёo(hù)，由于使用方式為批量系統(tǒng)使用，故而采用等效剛度方法模擬，其中錨桿采用全程鉸接的小變形小應(yīng)變桿單元理論模型，選用線彈性本構(gòu)模型；錨索采用兩端鉸接中間非協(xié)調(diào)變形的桿單元理論模型，小變形小應(yīng)變線彈性本構(gòu)模型；土釘采用與土體協(xié)調(diào)變形的桿單元理論模型，計(jì)算本構(gòu)模型為線彈性模型。

挖方段在地應(yīng)力平衡的基礎(chǔ)上，做一次性開挖處理，采用巖土彈性塑性模型卸載。為減少程序編寫的工作量，卸載過程和填方過程采用同一計(jì)算本構(gòu)模型。槽倉(cāng)的開挖和填筑過程采用準(zhǔn)靜態(tài)模型分四步模擬，黃土的開挖與支護(hù)效果則采用死活單元模擬。

最終依據(jù)工程地質(zhì)資料采用圖形建模軟件GID建立計(jì)算幾何模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

3 三維數(shù)值模擬結(jié)果與分析

在計(jì)算中，開挖與回填均分四步完成，每一步開挖都是在前一步計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行，初始地應(yīng)力下的位移變形與應(yīng)力分布情況如圖2—圖5所示。

圖2 初始地應(yīng)力下重力方向變形等值線圖

圖3 初始地應(yīng)力下南北水平方向變形等值線圖

圖4 初始地應(yīng)力下重力方向橫剖面處變形等值線圖

圖5 初始地應(yīng)力下南北方向橫剖面處變形等值線圖

重力方向整體變形發(fā)生在-28.253mm到12.745mm之間，而南北水平方向的變形發(fā)生在-11.294到11.836mm之間。整體上看，初始網(wǎng)格變形量不大。

3.1 挖方段計(jì)算結(jié)果

限于篇幅，本文僅給出了最后一步即第4步開挖結(jié)束時(shí)開挖區(qū)重力方向和南北水平方向變形等值線，如圖6、圖7所示。

圖6 第四次開挖區(qū)重力方向變形等值線圖

圖7 第四次開挖區(qū)南北水平方向變形等值線圖

由圖6、圖7可知，開挖區(qū)豎向變形為正，表示地層開挖后基礎(chǔ)向上反彈。在本次分析計(jì)算中考慮施工過程與工序的影響，開挖分四次完成。每次開挖后，開挖邊坡向臨空面方向回彈，槽倉(cāng)兩側(cè)壁處變形稍大，表示邊坡變形，兩側(cè)壁上部塌縮下部突出，最大回彈位移位于暗道底部。整體變形上為滑動(dòng)趨勢(shì)。槽倉(cāng)外側(cè)支護(hù)樁頂部臨時(shí)支護(hù)梁與暗道頂部橫梁有效抑制了邊坡水平位移，起到了加固的關(guān)鍵作用。

每次開挖后，地層會(huì)有少量向上反彈。從計(jì)算結(jié)果中可知開挖區(qū)背離落煤筒的地方向上反彈幅度更大，而靠近落煤筒處開挖過程中變形則相對(duì)較小。此外，歷次開挖結(jié)果圖表明，挖方區(qū)邊坡開挖過程中，邊坡向臨空面方向滑移，開挖到設(shè)計(jì)邊坡坡腳時(shí)，最大位移位于邊坡坡腳處；繼續(xù)開挖，最大位移處即向下轉(zhuǎn)移，集中在外側(cè)支護(hù)樁與左側(cè)護(hù)壁樁之間。在南北方向的水平其變形幅值不超過為3.5cm，相對(duì)整個(gè)模型的尺度來說，不易發(fā)生邊坡滑塌問題，由于不考慮地層暴露力學(xué)性質(zhì)的改變，整體開挖區(qū)域有少量回彈，與建筑物接觸處變形量可不計(jì)。

槽倉(cāng)開挖加固后，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生重新分布，塑性區(qū)位于槽倉(cāng)暗道底部、暗道頂梁與外側(cè)支護(hù)樁之間、邊坡坡腳與外側(cè)支護(hù)樁連接處附件，這些地方是支護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)加固部位，應(yīng)引起高度重視。

3.2 填方段計(jì)算結(jié)果

限于篇幅，本文僅給出了最后一步(第4步)回填結(jié)束時(shí)回填區(qū)重力方向和南北水平方向變形等值線，如圖8—圖11所示。

圖8 第四次回填后重力方向變形圖

圖9 第四次回填后南北水平方向變形圖

圖10 第四次回填后重力方向橫剖面處變形圖

圖11 第四次回填后南北水平方向橫剖面處變形圖

由圖8—圖11可知，填方區(qū)邊坡施工過程中，每次回填都認(rèn)為是在前次回填穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行，只計(jì)算本次回填的沉降和荷載增量對(duì)前面回填底層的影響。從歷次回填的計(jì)算結(jié)果看，隨著填方一層一層固結(jié)完畢，水平位移和豎向位移均逐漸增大，但發(fā)生的變形主要以重力方向的變形為主，較大的垂直變形主要發(fā)生在靠近邊坡朝里的一側(cè)，坡腳與暗道左側(cè)護(hù)壁樁底部出現(xiàn)應(yīng)力集中，并表現(xiàn)出較大水平位移。但每次回填的最大下沉量在5～7cm之間，邊坡在南北水平方向的變形也相對(duì)較小，變形幅值不超過1.5cm。

此外在回填過程中，邊坡表層出現(xiàn)部分塑性區(qū)域，表明邊坡表層土體可能會(huì)出現(xiàn)淺層滑動(dòng)，需要進(jìn)行表層土體的加固防護(hù)?；靥钔僚c原狀土連接段及回填土底層部分亦出現(xiàn)塑性區(qū)，表明施工中在該區(qū)域需做好不同土質(zhì)的壓實(shí)銜接。

4 與實(shí)測(cè)結(jié)果比較

為了進(jìn)一步說明三維并行有限元計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，本文將數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，對(duì)比結(jié)果見表1。

表1 數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)值結(jié)果比較 mm

通過計(jì)算數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的比較，槽倉(cāng)最終累計(jì)垂直和水平變形值均較實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值大。其中水平變形值相差較小，誤差率僅6.89%～9.97%；垂直變形值相差雖較大，但總體趨勢(shì)基本相同，均滿足工程需要。

此外，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映槽倉(cāng)的水平變形值較小，說明整個(gè)槽倉(cāng)在施工期間是穩(wěn)定可靠的，沒有發(fā)現(xiàn)任何異常突變，也說明槽倉(cāng)在開挖期間在一定程度上沒有引起水平位移的變化。而槽倉(cāng)的垂直變形值較大，說明槽倉(cāng)的開挖對(duì)垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)有一定影響，但這種影響在安全范圍之內(nèi)。

5 結(jié) 論

1)利用有限元法進(jìn)行槽倉(cāng)開挖回填過程的數(shù)值模擬研究是切實(shí)可行的，模擬分析得到的數(shù)值結(jié)果滿足工程以及理論上的基本要求，與實(shí)際工程測(cè)量結(jié)果大致吻合。

2)基于數(shù)值模擬結(jié)果，開挖段每次開挖后，地層會(huì)有少量向上反彈。當(dāng)?shù)谒拇瓮瓿珊螅蹅}(cāng)兩側(cè)壁處變形稍大，表示邊坡變形，兩側(cè)壁上部塌縮下部突出，整體變形上為滑動(dòng)趨勢(shì)。此外，挖方區(qū)邊坡開挖過程中，在南北方向的水平變形幅值不超過為3.5cm，滿足工程需要。

3)基于數(shù)值模擬結(jié)果，回填段每次回填后，發(fā)生的變形主要為重力方向的變形，南北水平方向的變形相對(duì)較小，較大的垂直變形主要發(fā)生在靠近邊坡朝里的一側(cè)，每次回填的最大下沉量在5～7cm之間。南北水平方向的變形幅值不超過1.5cm，滿足工程需要。

4)開挖回填完成后，槽倉(cāng)結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在槽倉(cāng)東側(cè)提升間結(jié)構(gòu)的上端和下端。在上端變形顯示為向外膨脹，而在下端為對(duì)內(nèi)擠壓，不過整體來看變形幅度均不大，最大變形1.7cm左右，滿足工程需要。