沈 琪，孫 超

吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院,長春 130118

隨著我國經濟的快速發(fā)展,越來越多的地下工程設施開始興建,如鐵道、商場等大型地下結構,因此產生了大量的深基坑工程.凍土地區(qū)的深基坑建設更受到了高度重視,尤其在支擋式結構物所受的水平凍脹力問題上.近年來許多學者對季凍區(qū)水平凍脹力進行研究,并取得了很高的科研成果.王建州等[1]人采用物理模型試驗方法,研究深基坑在凍結過程中凍脹力的變化,得出凍脹過程中和凍融后凍脹力的變化規(guī)律.王艷杰[2]采用有限元模擬軟件，通過改變土性、初始含水率及支護條件等因素分析水平凍脹力的變化特性,并結合理論公式的計算,兩者結果比對分析結構受力情況.孫超等[3]人采用FLAC 3D數值模擬方法,分別模擬粉質粘土,粘土在相同的負溫變化下,樁體水平凍脹力的大小和分布模式,并擬合出最大水平凍脹力與溫度,位移之間的關系式.閆綱麗等[4]人通過FLAC 3D軟件模擬與實際工程監(jiān)測數據對比反映軟件的可靠性,并得出基坑中上部水平位移最大,到基坑角部位移值達到最小.本文采用FLAC 3D軟件[5-6]分析懸臂樁基坑支護在正負溫下所受水平凍脹力和樁后土壓力的分布情況,樁體在正負溫作用下的水平位移變化趨勢.

1 FLAC 3D軟件6.0簡介

FLAC 3D為有限差分軟件,與其它有限元軟件相比的優(yōu)點:

(1) FLAC 3D采用顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術,相比其它采用“離散集成法”的有限元軟件,更精準地模擬材料的塑性變化.

(2) 由于顯示法不形成剛度矩陣,能求解大范圍的三維問題.

(3) 在模擬靜態(tài)系統時通過方程轉換求解,解決了模擬物理上的不穩(wěn)定過程數值問題.

(4) 對于較復雜的模型建模,可在其它軟件上建模再導入FLAC 3D中進行后續(xù)分析；也可以自己編寫FISH語言,自定義變量或函數等方法來解決不同問題.

(5) FLAC 3D采用增量法,即位移與應力沒有直接關系,且隨時改變,材料屬性參數也可隨時改變而不影響當前的應力狀態(tài).

FLAC 3D軟件6.0與之前版本相比較有許多新特征:

(1) 操作界面有所更新,用戶可以在屏幕上的幫助文件快速搜索及瀏覽內容,可重復瀏覽并復制示例,比之前更為直觀.也可按住組合鍵,激活內聯幫助提醒可用的選項,從而交互輸入命令.任何時候按激活鼠標所在命令可在幫助文件中關聯參考,使操作更智能化.

(2) 新嵌入兩個模塊Building Blocks和Model Pane.Building Blocks支持從CAD或其他軟件導入的幾何面作為背景數據,能捕捉面、線、點等進行處理.Model Pane能對其單元體或其面進行操作,使建模更多樣化、更加強大.

(3) 命令和語言腳本做了更改,使命令更明加明確,不與其它語言混淆.

(4) 新嵌入了6個本構模型.除此之外,還可以自定義本構模型求解.

(5) 結構單元的創(chuàng)建更加容易,命令也特別有效,增加的許多選項使生成支護構件更方便,且計算速度也大大提升.

圖1 計算模型Fig.1 Computational model

2 模型創(chuàng)建

2.1 計算模型尺寸

本文基坑支護結構為懸臂樁支護,在模擬深基坑開挖時,基坑的幾何形狀,開挖深度及土體參數對模擬具有一定的影響.通常情況下對模型豎向深度范圍與水平方向寬度有一定要求,水平方向3.5倍左右開挖寬度.本文基坑開挖深度6 m,水平寬度16 m,x軸為水平向右方向,取40 m,沿基坑長度方向為y軸,取1 m,z軸垂直向上,取25 m,模型上邊界為地表,模型總尺寸為40 m×1 m×25 m.樁長12 m,樁徑為1 m,嵌固深度6 m,計算模型見圖1.

2.2 確定參數及邊界條件

本文研究土體采用摩爾-庫侖本構模型,粉質黏土的物理力學參數引用單喜壘[7]室內試驗獲取實驗參數見表1.通過實驗可得出土體在常溫下物理力學參數,凍結下物理力學參數以及土體隨溫度變化參數,土體熱力學參數按照《凍土工程地質勘察規(guī)范》選取,見表2,將上述參數運用到模擬中,并對模擬結果進行對比,從而對不同情況下支護結構的受力和變形等進行分析.支護樁材料參數引用郭浩天[8]非飽和土三軸實驗參數見表3.

表1 粉質黏土物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of silty clay

表2 粉質黏土熱力學參數Table 2 Thermodynamic parameters of silty clay

表3 支護樁材料參數取值Table 3 Material parameters of supporting pile

位移邊界條件:計算模型中模型位移為零,需在模型周邊固定法向邊界,底面x,y,z這3個方向固定,只允許模型頂面邊界自由.

溫度邊界條件:模型前后,左右及底面設置為絕緣邊界,分別在地表,坑底,坑壁處施加-1 ℃,-5 ℃,-10 ℃,-15 ℃和-20 ℃,為使土體凍結穩(wěn)定,采取每種負溫作用下凍結兩個月.在上述溫度場基礎上再分別在地表,坑底,坑壁處施加1 ℃,10 ℃,20 ℃,采取每種溫度作用2個月.

3 數值模擬結果分析

3.1 初始應力結果分析

由圖2可知,土體初始應力沿深度呈層分布,模型底部自重應力σzz=453.1 kPa,此值與初始應力計算公式σzz=ρgz=1.85×10×25=462.5 kPa(z為土層深度)得出的值非常相近,證明模型建立的合理性.

圖2 初始應力分布云圖Fig.2 Initial stress distribution nephogram

3.2 樁體水平凍脹力結果比較分析

凍結及凍融在不同溫度作用下,水平凍脹力及土壓力變化曲線如圖3,圖4所示.

圖3 凍結作用下水平凍脹力Fig.3 Horizontal frost heaving force under freezing action

圖4 凍融作用下樁后水平力Fig.4 Horizontal force behind pile under freeze-thawaction

由圖3可知,樁頂向下2 m范圍內,水平凍脹力隨深度的增加逐漸減小,在-1 ℃降到-10 ℃時,凍結作用下水平凍脹力逐漸增大,隨著溫度繼續(xù)降低,其水平凍脹力逐漸減小;在-2 m到基坑底部,隨著溫度的降低,凍結土層逐漸變厚,凍結速率變快,水平凍脹力隨深度逐漸增加,并且隨著溫度的降低逐漸增大,其產生的最大峰值為37.25 kPa;在坑底到樁底位置處,水平凍脹力隨深度又逐漸減小.

由圖4可知,凍融作用后,土體溫度逐漸升高,凍結土體逐漸減少,樁側土壓力隨著溫度的升高也逐漸減小,最大樁側土壓力為71.31 kPa.在坑底以下部分,隨著深度增加土體受到凍融影響相對較小,故樁后土壓力值變化不明顯.

由圖3,圖4分析可知,季凍區(qū)水平凍脹力的影響不容小覷,地基選在干燥較平緩的地區(qū)或土凍脹較小的地上是很有必要的.

3.3 樁體水平位移結果比較分析

凍結及凍融在不同溫度作用下,樁后水平位移值曲線如圖5,圖6所示.

圖5 凍結作用下樁后水平位移Fig.5 Horizontal displacement behind pileunder freezing action

圖6 凍融作用下樁后水平位移Fig.6 Horizontal displacement behind pileunderfreeze-thaw action

由圖5可知,樁體在樁頂處的水平位移最大,由于土體隨溫度降低逐漸凍結,樁后水平位移隨溫度的降低也逐漸增大,樁后水平位移最大值為0.147 m.

由圖6可知,凍融后溫度逐漸升高土體開始融化,樁后水平位移隨溫度的升高逐漸減小,雖然溫度逐漸升高,但凍結對樁體位移存在一定影響,不可能恢復到原位置.

由圖5,圖6分析可知,在樁頂位移量很大,冬季施工可對地表采取過冬保溫措施,從而減少不必要的施工事故.

4 結論

本文運用FLAC 3D數值模擬對季凍區(qū)不同溫度下基坑支護進行模擬,采用室內試驗獲取的不同土體參數,并對凍融過程中支護樁的水平位移、樁側水平凍脹力及土壓力等進行分析,得到如下結論.

(1) 土體分別在-1 ℃,-5 ℃,-10 ℃,-15 ℃和-20 ℃下凍結2個月,凍結溫度不同,隨著凍結溫度越低,深度逐漸增大.凍結后土體上再施加1 ℃,10 ℃,20 ℃作用2個月,融化后的土體變形對基坑支護有一定的影響.

(2) 凍結作用時,土體隨溫度降低水平凍脹力越來越大,最大水平凍脹力在坑底附近處.隨著正溫的升高,土體逐漸融化,凍結土體逐漸減少,樁側土壓力隨著溫度的升高也逐漸減小.

(3) 樁體的水平位移在負溫下,樁頂位移最大,且隨溫度的降低位移越來越大,呈直線型;凍融作用后,土體融化,樁后水平位移隨溫度的升高逐漸減小.