葉 蓉

（深圳地鐵建設集團有限公司 深圳518029）

0 前言

隨著城市的快速發(fā)展，土地資源變得越來越緊缺，許多城市出現(xiàn)了建筑用地不足的問題，從而直接導致接近施工的工程大量涌現(xiàn)，例如許多城市出現(xiàn)了大量臨近既有橋梁、地鐵和建筑物的建筑基坑工程。這類工程不僅工程規(guī)模大，且與周邊既有建構筑物的距離?。?］。為了確保基坑開挖過程中臨近建構筑的安全，評估基坑開挖對既有建構筑物的影響就顯得非常重要。

關于如何預估基坑開挖對臨近橋梁的影響，國內外很多學者均對此開展了研究［1-5］。李龍劍等人［2］采用彈塑性有限元法計算了無支撐基坑開挖對鄰近高架基礎的影響，并分析了不同加固方案對控制橋梁樁基變形的作用。張治國等人［3］提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法。

本文介紹了一種基于應力釋放法［6-9］的基坑開挖模擬方法，用于預測基坑開挖施工對臨近建構筑物的影響。

1 應力釋放法簡介

1.1 基本原理

考慮到基坑的開挖深度一般不大，巖土體相對較疏松，構造應力往往可以忽略不計，初始應力場即為重力場。如圖1所示，可以把計算模型分為兩部分，第一部分為要挖除的部分，其體積為V1，自重為W1；第二部分為開挖后的巖土體（含圍護結構），其體積為V2，自重為W2。分析時可把挖去部分V1作為保留部分V2的外部影響因素來考慮。V1對V2存在著約束和加載2個效應。約束效應是指V1的土體剛度制約著V2的土體（含圍護結構）向坑內移動，加載效應是指V1的重力對基坑底部的節(jié)點施加了豎向的力。

圖1 基坑開挖示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Foundation Pit Excavation

V1部分土體一旦挖除，V1對V2的約束效應和加載效應均不存在，開挖面上的應力解除，成為自由面。

應力釋放法模擬基坑開挖時通過將V1對V2的約束、加載的荷載施加于開挖邊界上的辦法來模擬V1的約束和加載效應，不需要將V1的網(wǎng)格模型建出。當V1被挖除時，將施加于開挖邊界的相應荷載解除即可。

1.2 實現(xiàn)方法

應力釋放法模擬基坑開挖首先需要根據(jù)巖土體的重度、側壓力系數(shù)，求得開挖邊界上各節(jié)點的荷載作為釋放荷載，然后反向施加于基坑開挖邊界的節(jié)點上，建模時需根據(jù)開挖工況將節(jié)點荷載分組。計算時根據(jù)施工工序分步解除相應荷載組的節(jié)點荷載，來模擬整個分步開挖過程。

基于應力釋放法的基坑開挖模擬的主要難點，在于節(jié)點荷載、自重應力場和初始應力場的平衡。通過理論計算得出的節(jié)點荷載往往與自重應力、初始應力場的平衡效果不好，在初始應力平衡步中模型整體變形往往會比較大，經(jīng)常會達到10-2m級。

為了解決這個問題，可以先用理論方法計算開挖邊界的節(jié)點荷載，然后與理論初始應力場進行第一次平衡，導出計算得到的應力場。然后將計算得到的應力場作為初始應力場再導入模型進行迭代計算，經(jīng)過幾次迭代后即可得到滿意的初始應力平衡結果。

2 計算實例

2.1 工程概況

擬建工程為3 棟高層建筑，基坑開挖深度約為22.0 m，開挖周長約為575.0 m?；游髂蟼却嬖谝蛔呒軜?，與基坑的距離約為22.0 m（見圖2）。高架橋的基礎形式為樁基礎（4 樁承臺），樁基以中等風化或微風化巖作為持力層，樁長根據(jù)場地的基巖面埋深不同為18.0～21.5 m不等。

圖2 基坑與橋梁的相對關系Fig.2 Location Relationship between Foundation Pit and Bridge

基坑支護形式采用鉆（沖）孔灌注樁+預應力錨索進行支護，樁間及坡面采用掛網(wǎng)噴射混凝土進行護面。支護樁φ1 000 mm，間距1.5 m，樁長進入中風化面以下1.0 m，樁體采用C30混凝土水下灌注。共設置4道預應力錨索，長22～28 m，自由段6～8 m，孔徑150 mm，傾角15°～20°。

為了確?；娱_挖過程中臨近橋梁的安全，現(xiàn)需要通過三維有限元數(shù)值分析預測基坑開挖過程中的圍護結構變形和臨近橋梁變形情況。

2.2 地質條件

擬建場地原始地貌為剝蝕殘丘及沖溝，場地上的建筑物現(xiàn)已拆除，地勢整體起伏不大。場地內分布的地層主要有第四系人工填土層、第四系殘積層，下伏基巖為燕山期地層粗粒花崗巖。人工填土層以黏性土為主，主要呈可塑狀態(tài)，層厚約1.0～5.7 m不等；殘積層為砂質黏性土，呈可塑～硬塑狀態(tài)，層厚約0.5～5.7 m；場地內花崗巖根據(jù)風化程度分為全風化～微風化4 個帶，中微風基巖面的起伏較大。根據(jù)巖土工程勘察成果，選取計算參數(shù)如表1所示。

表1 計算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameter

2.3 計算模型

該模型部件較多涉及到多種單元類型，所以本文先在AUTOCAD 中建立三維幾何模型，再導入專門的網(wǎng)格劃分軟件劃分網(wǎng)格。巖土體采用四面體實體單元模擬。分網(wǎng)完成后模型一共含單元約14萬個，網(wǎng)格模型全貌如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Grid Model

根據(jù)設計文件和實際施工工況的具體情況，分步逐漸激活支護結構單元和釋放節(jié)點荷載，本模型共劃分了10個荷載步，各個荷載步的荷載變化情況如下。

⑴初始荷載步：計算地基初始應力場；

⑵第2個荷載步（第1步開挖）：模擬開挖至第1道錨索以下0.5 m高程的工況，釋放第1道錨索以下0.5 m節(jié)點的應力；

⑶第3 個荷載步（施工第1 道錨索）：模擬第1 道錨索施工完并施加預應力的工況，激活相應錨索單元，并施加預應力；

⑷第4～第9 個荷載步依次完成第2～第4 步開挖，并施加第2～第4道錨索。

⑸第10 個荷載步（第5 步開挖）：模擬開挖至坑底的工況，即釋放基坑底以上所有節(jié)點的約束荷載。

2.4 計算結果

本次計算將理論方法計算出的節(jié)點荷載導入模型，經(jīng)過多次初始應力場迭代步后，得到符合要求的初始應力場和節(jié)點荷載，在最后的初始應力場平衡步中，模型的最大變形為10-5m級，完全滿足計算要求。

基坑開挖至坑底時，三維有限元模型整體水平云圖如圖4所示。

圖4 開挖完成后的位移云圖Fig.4 Displacement Nephogram after Excavation

通過對計算模型進行后處理，得出主要結論如下：

⑴橋梁結構最大水平位移5.9 mm，近似于整體向基坑側移動；

⑵由于橋梁的基礎采用的是嵌巖樁，橋梁結構最大豎向位移不足0.2 mm；

⑶鄰近橋梁側基坑支護結構最大水平位移為17.4 mm（與彈性抗力法計算結果接近）。

3 結論

目前本基坑已經(jīng)施工完成，施工監(jiān)測結果顯示橋梁和基坑支護結構的實際變形情況與數(shù)值分析結果十分接近。通過該實際工程實例驗證了應力釋放法在基坑開挖模擬計算中的可靠性。