金 星
(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)
近年來,諸多學(xué)者對基坑穩(wěn)定性進行了深入研究。馮忠居等[1]為定量分析圓排式異型深基坑支護的側(cè)向變形特性與抗隆起穩(wěn)定性,利用數(shù)值仿真軟件對矩形深基坑及圓排式異型深基坑進行對比研究,結(jié)果表明圓排式異型深基坑相比于矩形深基坑具有足夠的安全性與穩(wěn)定性。鄭軍峰[2]以廈門地鐵2號線育秀東路站基坑工程為背景,采用數(shù)值模擬方法,分析了不同地層參數(shù)對基坑支護體系穩(wěn)定性的影響規(guī)律。閆國良[3]以某基坑工程為依托,基于有限元分析方法,分析了基坑支護結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律,并進一步研究了樁間距對基坑穩(wěn)定性的影響。張明聚[4]等通過推導(dǎo)圓形基坑抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)計算公式,并采用三維軸對稱滑動圓弧法對圓形基坑抗隆起穩(wěn)定性進行驗算,結(jié)果表明該方法相比于其他平面算法更為合理。王洪新[5]等推導(dǎo)出圓形基坑的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式,并通過對比相應(yīng)參考文獻中的模型試驗及數(shù)值模擬結(jié)果,驗證了該公式的合理性。王衛(wèi)東等[6]基于非線性有限元提出了軸對稱條件下基坑坑底抗隆起穩(wěn)定分析的強度折減方法,指出采用平面軸對稱有限元的強度折減法分析得到的坑底抗隆起穩(wěn)定系數(shù)較平面應(yīng)變有限元強度折減分析得到的穩(wěn)定系數(shù)高得多。王炳龍等[7]通過對連續(xù)墻不同入土深度時某地鐵風(fēng)井圓形基坑的設(shè)計方案進行離心模型試驗,得出直徑小于30 m的圓形基坑入土系數(shù)的合理取值范圍,并總結(jié)出圓形基坑位移規(guī)律。然而,對于無支護情況下直徑對圓形基坑的穩(wěn)定性影響鮮有文獻報道。
本文采用數(shù)值模擬的方法,對典型地層無支護情況下直徑對圓形基坑穩(wěn)定性影響進行分析,并將數(shù)值模擬結(jié)果與相應(yīng)規(guī)范進行比較[8-10],判斷圓形基坑的穩(wěn)定性,以期為相關(guān)實際工程提供借鑒。
本研究分別選取廣州、南昌、上海地區(qū)典型地層,通過數(shù)值模擬的方法,在無支護情況下,隨基坑直徑不斷變化,對相應(yīng)地層進行分析,并與基坑相關(guān)規(guī)范進行比較,以判斷基坑的安全性。由于上海地區(qū)土層分布多為深厚軟土型,而廣州、南昌地區(qū)土層分布多為上軟下硬型,因此,以上海淤泥土、粉質(zhì)黏土作為典型地層,以廣州或南昌風(fēng)化巖層及基巖層作為典型地層進行分析。
通過調(diào)研典型地層基坑工程可知,近五年多以深基坑為主,且開挖深度大多小于30 m。工程施工中,基坑深度超過5 m為深基坑,超過20 m為超深基坑[9]。為了保證分析過程中,僅有直徑作為自變量對圓形基坑無支護情況下的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,以深度5 m作為淤泥層、粉質(zhì)黏土層的開挖深度;考慮到風(fēng)化巖及基巖的物理力學(xué)特性,分別以深度20 m、25 m、30 m作為風(fēng)化巖層、基巖層的開挖深度。
本研究采用Midas GTS有限元軟件,對典型地層在無支護情況下,基坑直徑對基坑穩(wěn)定性的影響進行分析。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗及基坑開挖深度影響,且考慮到直徑過大引起的邊界效應(yīng)以及風(fēng)化巖及基巖的物理力學(xué)特性,將模型尺寸定為400×400×90 m(X、Y、Z),不考慮地下水及其他因素的擾動作用。有限元模型及土層參數(shù)如圖1、表1所示。
圖1 有限元模型
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)
三維模型采用摩爾-庫倫本構(gòu),對模型各側(cè)邊界進行法向約束,頂部為自由面,底面為固定節(jié)點的三項約束(X、Y、Z)??紤]計算的簡便性,基坑開挖區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格較密集,向四周逐漸稀疏。具體工況:(1)初始地應(yīng)力平衡并位移清零;(2)開挖至基坑底部。
隨著數(shù)值分析手段的進步和計算機性能的提高,采用強度折減是有限元分析穩(wěn)定性的有效方法,即在理想彈塑性有限元計算中將巖土體抗剪強度參數(shù)逐漸降低直到其達到破壞狀態(tài)為止。其中,分析穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵問題是失穩(wěn)的判據(jù)問題。
三維圓形基坑開挖從俯視角度可看作為隧道的掘進過程,從而基坑開挖后的穩(wěn)定性判別可采用隧道掌子面穩(wěn)定性的判別依據(jù)。因此,本研究主要采用位移突變或有效塑性應(yīng)變從坑底至坑頂貫通作為失穩(wěn)破壞的標(biāo)志[11]。
(1)淤泥層穩(wěn)定性分析
為了直觀表現(xiàn)基坑失穩(wěn)時,有效塑形應(yīng)變區(qū)域的變化情況,同一挖深、不同直徑下的基坑塑性區(qū)域云圖如圖2所示。由圖2可知,隨基坑直徑的增大,有效塑性應(yīng)變區(qū)域逐漸增大;直徑2 m時,基坑開挖區(qū)域有效塑性應(yīng)變已貫穿至基坑頂部。根據(jù)失穩(wěn)依據(jù)可知,淤泥層基坑在挖深5 m時,發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象的臨界直徑約為2 m。
圖2 不同直徑下淤泥層基坑塑性應(yīng)變云圖
(2)粉質(zhì)黏土層穩(wěn)定性分析
圖3為粉質(zhì)黏土層基坑在同一挖深、不同直徑下的基坑水平位移曲線。可以看出,隨著基坑直徑的增加,基坑水平位移逐漸增大。當(dāng)直徑小于5 m時,基坑位移增加速率較為平緩;當(dāng)直徑大于5 m后,基坑位移增加速率較快。根據(jù)失穩(wěn)依據(jù)可知,粉質(zhì)黏土層基坑在挖深為5 m時,發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象的臨界直徑約為5 m。
圖3 不同直徑下粉質(zhì)黏土層基坑水平位移曲線
(3)風(fēng)化巖層穩(wěn)定性分析
圖4為風(fēng)化巖層基坑挖深為20 m、25 m、30 m時,基坑水平位移隨直徑變化曲線??梢钥闯?,隨基坑直徑的增加,基坑水平位移均逐漸增大。挖深20 m時,當(dāng)直徑小于60 m,基坑位移增長速率較為平緩;當(dāng)直徑大于60 m,基坑位移增長速率較快。挖深25 m時,當(dāng)直徑小于30 m,基坑位移增長速率較為平緩;當(dāng)直徑大于30 m,基坑位移增長速率較快。挖深30 m時,當(dāng)直徑小于20 m,基坑位移增長速率較為平緩;當(dāng)直徑大于20 m,基坑位移增長速率較快。根據(jù)失穩(wěn)依據(jù)可知,挖深20 m、25 m、30 m時,風(fēng)化巖層基坑失穩(wěn)的臨界直徑分別約為60 m、30 m、20 m。
圖4 不同直徑下風(fēng)化巖層基坑水平位移曲線
(4)基巖層穩(wěn)定性分析
圖5為基巖層基坑挖深20 m、25 m、30 m時,基坑水平位移隨直徑變化曲線??梢钥闯觯S著基坑直徑的增加,基坑水平位移近似線性增長,但位移值較小。當(dāng)基坑直徑為100 m時,水平位移最大,分別為1.34 mm、1.46 mm、1.60 mm。表明基巖在挖深20~30 m范圍內(nèi),由于自身的物理力學(xué)特性,在“拱效應(yīng)”隨直徑增加而減小的過程中,并未產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。
圖5 基巖層基坑水平位移曲線
(5)總體分析
圓形基坑從結(jié)構(gòu)上可以看作為閉合的拱,通過自身形成的“拱效應(yīng)”,抑制土體的徑向位移,使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[12]。當(dāng)基坑直徑較小時,“拱效應(yīng)”顯著,基坑較穩(wěn)定;然而,當(dāng)基坑直徑較大時,環(huán)向的抑制作用減小,“拱效應(yīng)”不顯著,基坑在無支護情況下易發(fā)生失穩(wěn)破壞。
綜上,典型地層圓形基坑隨直徑不斷增加至一定值時,由于“拱效應(yīng)”的作用效果減小,導(dǎo)致基坑在無支護情況下發(fā)生失穩(wěn)破壞,基坑失穩(wěn)時的臨界直徑匯總見表2。
表2 不同挖深下典型地層基坑失穩(wěn)時的臨界直徑
通過數(shù)值模擬方法,在無支護情況下,隨基坑直徑不斷變化,對相應(yīng)典型地層基坑進行分析,并與基坑規(guī)范進行比較,以判斷基坑的安全性。以采用的失穩(wěn)判定標(biāo)準(zhǔn)和選取的地層參數(shù)為基礎(chǔ),經(jīng)研究表明:
(1)不同典型地層下,基坑發(fā)生失穩(wěn)破壞的臨界直徑不同。
(2)挖深5 m時,淤泥層基坑失穩(wěn)的臨界直徑約為2 m,粉質(zhì)黏土層基坑失穩(wěn)的臨界直徑約為5 m。
(3)挖深分別為20 m、25 m、30 m 時,風(fēng)化巖層基坑失穩(wěn)的臨界直徑分別約為60 m、30 m、20 m。
(4)挖深20~30 m范圍內(nèi),基巖層基坑水平位移呈線性增長,但未發(fā)生失穩(wěn)破壞。
考慮到實際工程中基坑深度大多小于30 m,因而本文僅對挖深小于30 m的地層進行分析。