常 虹，肖嵐心

吉林建筑大學(xué) 測繪與勘查工程學(xué)院,長春 130118

0 引言

隨著我國的快速發(fā)展,建筑物也在不斷向高處擴(kuò)展,由于環(huán)境和土地資源有限,故深基坑關(guān)于變形的方面就會越來越受到重視.在基坑支護(hù)過程中,應(yīng)注意不影響周圍建筑物正常使用,還同時要求變形量滿足規(guī)范要求.因此,合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程起重要作用.根據(jù)場地地質(zhì)條件、施工技術(shù)等有不同的支護(hù)形式.對于樁錨支護(hù)方式,在深基坑工程中可以采用,在經(jīng)濟(jì)與安全可靠性方面也較為良好.對于基坑施工工序的過程用有限元軟件進(jìn)行模擬已經(jīng)得到了很好的推廣.楊洪娜等[1]人采用MIDAS GTS 數(shù)值模擬軟件對基坑開挖支護(hù)工序進(jìn)行模擬,得到土層位移隨著深度增加而增大,混凝土支撐相比于鋼支撐可以更加有效地降低地表沉降.陳輝等[2]人采用兩種不同類型的有限元軟件分別模擬深基坑開挖過程,通過計算結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)MIDAS GTS NX軟件模擬得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)方位移與實測數(shù)據(jù)相比明顯偏大;使用ABAQUS軟件中修正劍橋模型預(yù)測深基坑側(cè)方地基的變形時,與MIDAS GTS NX軟件計算結(jié)果相比更佳.過洪贇等[3]人對樁錨支護(hù)深基坑變形模擬進(jìn)行了分析,得到樁身整體水平變形大致呈“兩頭小,中間大”的鼓腹?fàn)罘植?同時對錨桿位置進(jìn)行調(diào)整,因此明顯對基坑開挖支護(hù)過程中樁身的水平位移和周圍土體的位移有了好的效果.馬海翔[4]通過MIDAS GTS提出排樁直徑影響著樁水平位移大小,排樁水平位移最大值隨樁徑增大而減小.丁偉[5]對樁體不同嵌固深度對樁水平位移影響進(jìn)行了研究,得到樁體水平位移大小與樁體在土體的深度有關(guān),隨著樁體嵌入土體的深度增加,樁的水平位移逐漸減小,樁體發(fā)生最大水平位移的位置不是在樁頂處,而是在基坑開挖面的附近.鐘連祥等[6]人利用有限元軟件Midas對深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.通過對比基坑土體變形值和實際監(jiān)測變形值,驗證了此模型的準(zhǔn)確性和可行性,得出錨桿軸應(yīng)力在自由段分布均勻,在錨固段逐漸減小的變化規(guī)律.此外,深入分析了深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響因素,結(jié)果表明:增加支護(hù)樁的樁長、縮小樁間距可以很好的抑制基坑土體位移.胡賀松[7]用數(shù)值分析軟件對不同錨桿傾角下的錨桿長度與安全系數(shù)之間擬合模型進(jìn)行研究,實現(xiàn)了錨桿參數(shù)對穩(wěn)定性影響的定量研究,隨著錨桿長度的增加,支護(hù)樁所承受的壓力逐漸減小,錨桿軸力分布均為錨頭處最大,沿著錨桿體逐漸減小.丁亞中[8]使用Midas GTS有限元軟件進(jìn)行基坑模擬,并分析了基坑的水平方向位移和豎直方向位移以及基坑開挖時基底的隆起量規(guī)律,通過數(shù)值模擬分析得出的數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)模擬得出的數(shù)據(jù)是正確有效的.因此在進(jìn)行有限元軟件模擬分析時,可以提前預(yù)測出基坑開挖時出現(xiàn)基坑位移和土體隆起量較大的位置.這些分析可以為監(jiān)測單位布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)提供參考,對比軟件模擬得出的數(shù)據(jù)與實際基坑監(jiān)測的數(shù)據(jù)變化規(guī)律相似,說明了支護(hù)體系的合理與可靠,同時所分析的結(jié)果可以為后期類似工程提供參考依據(jù).

1 工程概況及支護(hù)設(shè)計

1.1 工程概況

本文以北宅某廠房深基坑支護(hù)工程為例.該工程設(shè)計安全等級為二級,正常設(shè)計使用年限為1年.工程周邊無重要建筑物和構(gòu)筑物,環(huán)境和地質(zhì)條件較為簡單,場地原始地貌系沖洪積平原地貌單元形成的以粉土、黏性土為主的地層如下:

第1層粉質(zhì)黏土夾粉土:灰褐色,可塑,局部軟塑,局部夾粉土薄層.分布均勻,勘探揭露層厚2 m～5 m;

第2層粉土:灰褐色,中密.普遍分布均勻,勘探揭露層厚5 m～10.50 m;

第3層粉質(zhì)黏土:灰色,可塑狀態(tài),切面稍有光澤,韌性中等,無搖震反應(yīng).勘探揭露層厚20 m～30 m.

場地所在地區(qū)全年四季分明,平均氣溫在15.8 ℃左右,最高溫32 ℃,最低溫-15.60 ℃,年平均降水量為800 mm,多集中在5月～9月.場地地下水水位埋深為1 m～2 m,水位年平均變化量約為1.0 m.本場地地下水類型為第四系孔隙潛水略帶承壓性,主要含水層為粉質(zhì)粘土夾粉土、粉土、粉質(zhì)粘土中,受到大氣降水補(bǔ)給影響,在雨季水位會上升,如果遇到水較多應(yīng)采用明渠排水集水溝將水降到可正常施工即可.

1.2 支護(hù)設(shè)計

根據(jù)基坑開挖深度和地質(zhì)條件及各方面意見與建議后,基坑整體采用混凝土支撐加樁和錨桿的復(fù)合支護(hù)方式.基坑開挖深度為9 m,基坑寬度15 m.基坑根據(jù)錨桿和內(nèi)支撐的位置分三層開挖,開挖深度分別是3 m,3 m,3 m.第一道支護(hù)采用混凝土支撐,設(shè)置在開挖深度-0.5 m處,第二道采用混凝土支撐與錨桿共同支護(hù),設(shè)置在開挖深度-3.0 m處,第三道采用混凝土支撐與錨桿,設(shè)置在開挖深度-6.0 m處.樁長15 m,嵌入深度6 m,樁徑0.8 m,錨桿長12 m,直徑0.02 m,混凝土支撐的截面尺寸0.8 m×0.8 m,土層信息見表1.

表1 土層信息

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

本文對基坑的施工工序過程采用 Midas GTS有限元軟件進(jìn)行模擬,為使建模符合實際,土體模型采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模擬,單元類型采用平面應(yīng)變;圍護(hù)樁混凝土支撐單元類型采用梁單元，錨桿采用植入式桁架模擬.根據(jù)工程經(jīng)驗,基坑模型深度邊界計算影響范圍取基底以下3倍的基坑開挖深度左右,影響寬度大約去取基坑邊界到模型邊界開挖深度的3倍.模型的整體尺寸為:x方向95 m,y方向40 m.

MIDAS GTS軟件根據(jù)前期輸入的土層參數(shù),將具有自動劃分網(wǎng)格功能,網(wǎng)格尺寸在基坑處定義為0.5,基坑外邊界到模型邊界處定義為1.2,網(wǎng)格劃分完成后對土體底部和兩側(cè)進(jìn)行施加邊界約束和自重.

2.2 定義施工階段

MIDAS GTS軟件是通過鈍化與激活命令模擬基坑開挖施工階段過程,根據(jù)該工程具體施工步驟，依次進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和開挖土體,按照施工的正常順序進(jìn)行模擬,直到基坑支護(hù)完畢,在初始應(yīng)力分析工況中,將所有土體邊界進(jìn)行約束,土體自重進(jìn)行激活,同時注意勾選位移清零.具體施工階段工序見表2.

表2 深基坑開挖模擬步驟

3 模擬結(jié)果

3.1 基坑模型總體位移

根據(jù)上述設(shè)置的施工階段對模型進(jìn)行分析,得出基坑施工結(jié)束后總體位移，見表3.由表3明顯得知基坑總體最大位移約為6.24 mm,滿足基坑變形要求,驗證了支護(hù)方案的合理性.

表3 基坑模型總體位移

3.2 基坑位移分析

在基坑支護(hù)工程中,基坑坑底會發(fā)生向上的回彈,因為基坑土體在逐漸的開挖,會使得土體自重應(yīng)力得到了釋放.并且基坑土體挖走后,樁體會向基坑內(nèi)移動變形,當(dāng)基底面以下部分的樁體向基坑方向偏移時,就會擠推樁前的土體,因此基底就會造成隆起.由表4可以看出隨著基坑的開挖,在中心位置處隆起量最大約為6.24 mm,兩側(cè)隆起量明顯看出是逐漸減小的.隨著土體繼續(xù)開挖進(jìn)行,地表發(fā)生了沉降,沉降也在逐漸增大,最大值為2.3 mm,水平位移值也逐漸增大,最大值為1.97 mm.

表4 基坑位移

3.3 樁水平位移

隨著基坑開挖,在不同工況下樁體的水平位移變化趨勢大體一致,已知樁長15 m,嵌入深度6 m,由表5得出,樁體最大水平位移也在逐漸增大,隨著基坑土體開挖,樁體發(fā)生最大水平位移的位置也在不斷向下移動,樁體端部位置的水平位移比樁中間水平位移小,模擬得出樁最大水平位移為1.51 mm.

表5 樁體水平位移

3.4 錨桿軸力

隨著基坑土體開挖不斷的施工,可以看出錨桿在自由段處的軸力是比較大,沿著錨固段的方向,錨桿的軸力是慢慢變小趨近于0.表6在工序4中第一層錨桿的最大軸力89.89 kN,工序5中第一層的錨桿最大軸力84.91 kN,第二層錨桿的最大軸力90.52 kN.當(dāng)土體開挖繼續(xù)進(jìn)行時,下層的錨桿會承擔(dān)了第一層錨桿上的力.

表6 工序4 ,5錨桿軸力

4 結(jié)論

本文通過MIDAS GTS軟件對基坑開挖的施工工序進(jìn)行模擬,得到以下結(jié)論:

(1)隨著基坑的開挖,在基坑底部發(fā)生隆起,在中心位置處隆起量最大,沿著基坑底部中心位置向基坑周邊兩側(cè)的隆起量在逐漸減小.

(2)基坑開挖會對土體產(chǎn)生橫向變形,地表產(chǎn)生沉降,隨著施工進(jìn)行水平位移最大值也逐漸增大,沉降量也逐漸增大.

(3)基坑開挖土體的深度不斷增加,圍護(hù)樁體同一位置的水平方向位移變化也不斷增加,樁體最大水平位移發(fā)生的部位也在不斷向下移動.

(4)錨桿在自由段處軸力較大,沿著錨固段方向軸力逐漸減小.