張孟穎, 吳東偉, 孫云儒, 朱家勝, 吳 健

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225127； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 3.浦口區(qū)水務(wù)局， 江蘇 南京 211899)

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的發(fā)展及城市建設(shè)需求的加大，我國(guó)的地下交通發(fā)展迅速，產(chǎn)生了大量深基坑工程。深、大基礎(chǔ)建造過(guò)程中，地基土工程行為已不再是單調(diào)加載過(guò)程，更多地包含了卸荷回彈及加載再壓縮等力學(xué)過(guò)程，應(yīng)力路徑趨于復(fù)雜。近代土力學(xué)研究已表明，地基土的力學(xué)行為不僅取決于土體最初和最終的應(yīng)力狀態(tài)，而且與其應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑有關(guān)[1]。鑒此，本文基于工程開挖、回填工序，同時(shí)考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道主體結(jié)構(gòu)及初設(shè)地應(yīng)力等因素，利用有限元計(jì)算軟件，建立了有限元計(jì)算模型，分析了基坑開挖及堤防恢復(fù)的變形特性，以期為堤防沉降變形計(jì)算提供理論支撐。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

太湖隧道為蘇錫常南部高速公路穿越太湖梅梁湖的主要工程，同時(shí)也是江蘇省“五縱九橫五聯(lián)”高速公路網(wǎng)中“橫六”的重要組成。隧道與蘇、錫、常3個(gè)市的高速公路環(huán)線直接溝通，實(shí)現(xiàn)3個(gè)市繞城高速間交通流的自由轉(zhuǎn)換，隧道全長(zhǎng)10.8 km，分別在太湖馬山和南泉處穿越太湖大堤，堤防級(jí)別均為2級(jí)。太湖隧道進(jìn)口馬山段堤防頂高程為6.30 m(吳淞高程，下同)，上設(shè)70 cm高防浪墻，堤頂為等級(jí)公路。出口南泉段堤防頂高程為7.00 m，頂寬5～6 m。隧道采用明挖破堤施工，隧道基坑采用鉆孔灌注樁結(jié)合三道水平支撐體系的圍護(hù)方案，三道水平支撐均采用鋼管支撐[2]。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，自上而下可分為6個(gè)工程地質(zhì)層。部分主要土層工程特性簡(jiǎn)介如下：

2-1(Q3)(粉質(zhì))黏土：灰黃色，可塑～硬塑狀態(tài)，中偏低～低壓縮性，夾鐵錳結(jié)核，土質(zhì)較好，全線連續(xù)穩(wěn)定分布。

2-2(Q3)粉質(zhì)黏土：灰黃色，灰色，軟塑～可塑狀態(tài)，中等壓縮性，夾粉砂，斷續(xù)分布。

2-3(Q3)粉土或粉砂：灰黃色，灰色，濕(飽和)，稍密～中密狀態(tài)，局部為粉質(zhì)黏土夾粉砂，沿線局部分布。

2-4(Q3)粉質(zhì)黏土：黃灰色，灰色，軟塑狀態(tài)，局部流塑狀態(tài)，中等偏高壓縮性，夾粉砂，斷續(xù)分布。

3-1(Q3)(粉質(zhì))黏土：灰黃色，灰色，可塑～硬塑狀態(tài)，中偏低～低壓縮性，夾鐵錳結(jié)核，土質(zhì)良好，全線連續(xù)穩(wěn)定分布。

3-2(Q3)粉質(zhì)黏土：灰黃色，灰色，軟塑～可塑狀態(tài)，中等壓縮性，夾粉砂，斷續(xù)分布。

3-3(Q3)粉土，部分為粉砂：灰黃色，灰色，濕(飽和)，中密～密實(shí)狀態(tài)，局部分布。

4-1(Q3)(粉質(zhì))黏土：黃灰色，灰黃色，青灰色，可塑～硬塑狀態(tài)，中等～低壓縮性，夾鐵錳結(jié)核，局部夾鈣質(zhì)，土質(zhì)良好，全線斷續(xù)分布。

2 有限元模型的建立

2.1 本構(gòu)模型及土體參數(shù)的選取

有限元數(shù)值模擬計(jì)算成果能否反映工程實(shí)際，并運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)中指導(dǎo)工程實(shí)踐，往往取決于是否采用了合理的本構(gòu)模型及正確的材料參數(shù)。根據(jù)以往研究成果顯示，彈性模型無(wú)法反映土體的塑性性質(zhì)，而塑性模型中MC模型和DP模型由于采用單一剛度導(dǎo)致坑底回彈較大[3]。以上幾種模型都不能很好地模擬基坑開挖、回填后變形，不適合用于本工程模擬計(jì)算。因此，本文采用可區(qū)分加卸載并能同時(shí)考慮軟黏土應(yīng)變硬化特征，且其剛度依賴于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑的修正劍橋模型[4]，該模型可給出較合理的“卸載—再壓縮”土體變形情況。模型中土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用四邊形四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元CPE4，各層支撐模擬按線彈性材料考慮采用梁?jiǎn)卧狟21。各土層計(jì)算模型材料參數(shù)[5]詳見表1。

2.2 計(jì)算模型及土性參數(shù)的選取

隧道基坑大體呈矩形，屬于三維空間問(wèn)題，尤其是角點(diǎn)附近的空間效應(yīng)特別明顯，但對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段來(lái)講，當(dāng)工程的長(zhǎng)寬比大于4時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)段中部剖面上二維和三維有限元分析的變形情況基本一致[6]。考慮到采用二維有限元計(jì)算模型單元與節(jié)點(diǎn)相對(duì)較少，且分析相對(duì)簡(jiǎn)單。為便于處理、節(jié)省計(jì)算時(shí)間，本文采用二維有限元分析。根據(jù)以往建模經(jīng)驗(yàn)，本次模型深度取120m，上部取至堤頂面高程，下部取至3-1層土，計(jì)算深度超過(guò)基坑開挖深度的4倍；兩邊邊界取至支護(hù)樁外80m，超過(guò)基坑開挖深度的3倍。在計(jì)算模型左右兩側(cè)邊界施加水平方向位移約束，底面邊界施加水平和豎直方向位移約束。為獲得更好的計(jì)算精度，不同區(qū)域網(wǎng)格劃分疏密有別，總體以靠近圍護(hù)樁網(wǎng)格較密、遠(yuǎn)離圍護(hù)樁方向網(wǎng)格逐漸稀疏為原則[4]。有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

3 有限元分析過(guò)程

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型建立

隧道基坑支護(hù)采用排樁結(jié)構(gòu)，排樁支護(hù)雖由單個(gè)樁體組成，但其受力形式類似于地下連續(xù)墻，因此在計(jì)算中將排樁墻通過(guò)等剛度轉(zhuǎn)換，等價(jià)為一定厚度的連續(xù)式板樁墻進(jìn)行分析計(jì)算。并可證明，按此等價(jià)的地下連續(xù)墻計(jì)算的結(jié)果合理、偏于安全[7]。則等剛度轉(zhuǎn)換按式(1)計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

(1)

式中：d為等價(jià)的地連墻厚度；R為樁的樁徑；a為樁間凈距，則單個(gè)樁應(yīng)等價(jià)為長(zhǎng)R+a的地連墻。

經(jīng)計(jì)算，排樁可等剛度換算為厚0.90 m的連續(xù)式板樁墻，樁長(zhǎng)按原排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)取用，即27.5 m，用于分析計(jì)算。

表1 各土層計(jì)算模型材料參數(shù)

圖2 排樁墻與連續(xù)板樁墻等剛度換算示意圖

3.2 施工工序模擬

根據(jù)工程的實(shí)際施工工序，本次施工過(guò)程共分2層開挖、2層回填。通過(guò)單元的“生死功能”來(lái)實(shí)現(xiàn)土體的開挖、回填及支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)的施加[8]。施工過(guò)程的具體分析步驟如下：

步驟1：初始地應(yīng)力的平衡。建立整個(gè)場(chǎng)地土體支護(hù)結(jié)構(gòu)(支護(hù)結(jié)構(gòu)、撐梁)及隧道結(jié)構(gòu)的有限元模型，“殺死”除原始土體之外的所有單元，并施加重力，以平衡土體的初始地應(yīng)力場(chǎng)；

步驟2：“殺死”第一層土體，以模擬大堤土體開挖；

步驟3：挖除支護(hù)內(nèi)土體，并“激活”撐梁和支護(hù)單元，以模擬支護(hù)施加；

步驟4：“激活”隧道結(jié)構(gòu)單元，以模擬隧道結(jié)構(gòu)施工；

步驟5：“激活”隧道上部土體單元，以模擬隧道上部土體回填。

4 基坑開挖及堤防恢復(fù)變形性狀分析

4.1 開挖面土體隆起

圖3～5分別為太湖大堤堤身開挖后豎向位移分布圖、隧道基坑開挖支護(hù)后豎向位移分布圖及隧道工程完工后豎向位移分布圖。由圖可知：(1)堤身開挖后基底最大隆起位于基坑中心位置，為9 cm。基底平均隆起高度為8.3 cm；(2)隧道基坑開挖支護(hù)后，基底最大隆起位于基坑中心位置，為18.6 cm?；灼骄∑鸶叨葹?6.6 cm；(3)隧道工程完工后，基底最大隆起位于基坑中心位置，為2.8 cm。基底平均隆起高度為1.4 cm；(4)基坑開挖面隆起高度隨著開挖深度的增加不斷增大，最大回填達(dá)到18.6 cm。且在隧道完工后，由于受到荷載作用，基底隆起高度相應(yīng)減小。

圖3 堤防開挖豎向位移云圖

圖4 基坑開挖豎向位移云圖

圖5 隧道完工后豎向位移云圖

圖6 堤防恢復(fù)豎向位移云圖

圖7 恢復(fù)段堤頂豎向位移曲線

4.2 恢復(fù)段堤防沉降變形

圖6為堤防恢復(fù)后豎向位移分布圖，圖7為恢復(fù)段堤頂豎向位移曲線圖。由圖7可以看到堤防恢復(fù)后，堤頂最大沉降位于恢復(fù)段堤防中心位置，為15.8 cm。恢復(fù)段堤頂平均沉降為12.1 cm，小于堤身高度的3%。

4.3 有限元分析與規(guī)范計(jì)算堤防變形對(duì)比

根據(jù)GB50286—2013，堤防沉降計(jì)算采用分層總合法[9]，計(jì)算公式如下:

(2)

式中：S為最終沉降量；n為壓縮層范圍的土層數(shù)；e1i為第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比作用下的孔隙比；hi為第i土層的厚度；m為修正系數(shù)，可取1.0，軟土地基可采用1.3～1.6。

經(jīng)計(jì)算，恢復(fù)段堤防沉降量為15.2 cm。本次堤防恢復(fù)后，恢復(fù)段堤頂共布置了4處沉降位移觀測(cè)點(diǎn)，累計(jì)沉降量分別為7.9 cm、5.4 cm、8.2 cm及5.8 cm，恢復(fù)段堤防累計(jì)沉降平均值為6.83 cm。見表2。

表2 恢復(fù)段堤防沉降值對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以看出，考慮應(yīng)力路徑的有限元分析計(jì)算的沉降值較規(guī)范采用的分層總合法計(jì)算的沉降值，與實(shí)際沉降值更接近、更符合實(shí)際情況。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于恢復(fù)段堤防施工工序，采用修正劍橋模型(MCC)對(duì)工程建立了有限元計(jì)算模型。通過(guò)模擬計(jì)算，得到基坑開挖面及恢復(fù)堤防土體變形形態(tài)，變形結(jié)果基本符合施工變形規(guī)律。重點(diǎn)對(duì)比了有限元法數(shù)值模擬與分層總合法計(jì)算成果，考慮施工過(guò)程的有限元法計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為接近。對(duì)于施工過(guò)程較為復(fù)雜的重要基坑，建議采用有限元數(shù)值模擬法計(jì)算更為準(zhǔn)確。