葉 蓉
(深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 深圳518029)
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(dǎo)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(gòu)筑物的距離?。?]。為了確?;娱_挖過程中臨近建構(gòu)筑的安全,評估基坑開挖對既有建構(gòu)筑物的影響就顯得非常重要。
關(guān)于如何預(yù)估基坑開挖對臨近橋梁的影響,國內(nèi)外很多學(xué)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(chǔ)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(yīng)力釋放法[6-9]的基坑開挖模擬方法,用于預(yù)測基坑開挖施工對臨近建構(gòu)筑物的影響。
考慮到基坑的開挖深度一般不大,巖土體相對較疏松,構(gòu)造應(yīng)力往往可以忽略不計,初始應(yīng)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(hù)結(jié)構(gòu)),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(yīng)。約束效應(yīng)是指V1的土體剛度制約著V2的土體(含圍護(hù)結(jié)構(gòu))向坑內(nèi)移動,加載效應(yīng)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(yīng)和加載效應(yīng)均不存在,開挖面上的應(yīng)力解除,成為自由面。
應(yīng)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(yīng),不需要將V1的網(wǎng)格模型建出。當(dāng)V1被挖除時,將施加于開挖邊界的相應(yīng)荷載解除即可。
應(yīng)力釋放法模擬基坑開挖首先需要根據(jù)巖土體的重度、側(cè)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(yīng)荷載組的節(jié)點荷載,來模擬整個分步開挖過程。
基于應(yīng)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(yīng)力場和初始應(yīng)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(yīng)力、初始應(yīng)力場的平衡效果不好,在初始應(yīng)力平衡步中模型整體變形往往會比較大,經(jīng)常會達(dá)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(yīng)力場進(jìn)行第一次平衡,導(dǎo)出計算得到的應(yīng)力場。然后將計算得到的應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場再導(dǎo)入模型進(jìn)行迭代計算,經(jīng)過幾次迭代后即可得到滿意的初始應(yīng)力平衡結(jié)果。
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?cè)存在一座高架橋,與基坑的距離約為22.0 m(見圖2)。高架橋的基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)(4 樁承臺),樁基以中等風(fēng)化或微風(fēng)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(guān)系Fig.2 Location Relationship between Foundation Pit and Bridge
基坑支護(hù)形式采用鉆(沖)孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù),樁間及坡面采用掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行護(hù)面。支護(hù)樁φ1 000 mm,間距1.5 m,樁長進(jìn)入中風(fēng)化面以下1.0 m,樁體采用C30混凝土水下灌注。共設(shè)置4道預(yù)應(yīng)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(yù)測基坑開挖過程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和臨近橋梁變形情況。
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(nèi)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?;◢弾r。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(zhì)黏性土,呈可塑~硬塑狀態(tài),層厚約0.5~5.7 m;場地內(nèi)花崗巖根據(jù)風(fēng)化程度分為全風(fēng)化~微風(fēng)化4 個帶,中微風(fēng)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
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(dǎo)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(shè)計文件和實際施工工況的具體情況,分步逐漸激活支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yù)應(yīng)力的工況,激活相應(yīng)錨索單元,并施加預(yù)應(yīng)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。
本次計算將理論方法計算出的節(jié)點荷載導(dǎo)入模型,經(jīng)過多次初始應(yīng)力場迭代步后,得到符合要求的初始應(yīng)力場和節(jié)點荷載,在最后的初始應(yīng)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(jìn)行后處理,得出主要結(jié)論如下:
⑴橋梁結(jié)構(gòu)最大水平位移5.9 mm,近似于整體向基坑側(cè)移動;
⑵由于橋梁的基礎(chǔ)采用的是嵌巖樁,橋梁結(jié)構(gòu)最大豎向位移不足0.2 mm;
⑶鄰近橋梁側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為17.4 mm(與彈性抗力法計算結(jié)果接近)。
目前本基坑已經(jīng)施工完成,施工監(jiān)測結(jié)果顯示橋梁和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實際變形情況與數(shù)值分析結(jié)果十分接近。通過該實際工程實例驗證了應(yīng)力釋放法在基坑開挖模擬計算中的可靠性。