黃廣龍

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

基坑工程因其能夠充分利用地下空間而被廣泛運(yùn)用，對此學(xué)者們也進(jìn)行了大量的研究?？总绲萚1]以昆明某基坑施工為例，研究了鋼支撐滯后施工對鋼支撐軸力、圍護(hù)樁位移及彎矩的影響，研究結(jié)果表明：土方開挖與非開挖交界處的圍護(hù)樁彎矩、深層水平位移最大。閆兵兵[2]認(rèn)為勘察工作是基坑設(shè)計(jì)的重要，尤其是在基坑施工前，必須進(jìn)行詳細(xì)的勘察，以保證基坑開挖的順利進(jìn)行。賴葉琴[3]對深基坑施工中的鋼板樁支護(hù)技術(shù)、土釘墻支護(hù)技術(shù)、排樁支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了介紹。曹陽等[4]將基坑工程與BIM技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了BIM技術(shù)對基坑施工的優(yōu)化，節(jié)約了工程造價(jià)和工期。劉輝喜等[5]將GIS技術(shù)引進(jìn)至基坑施工中，并及時(shí)對基坑的位移、土壓力進(jìn)行監(jiān)測，通過此技術(shù)可提到基坑施工的質(zhì)量。詹書濱[6]在基坑施工過程中，對錨桿靜壓鋼管樁的支護(hù)方案進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：錨桿數(shù)量不夠?qū)?dǎo)致地基發(fā)生傾倒變形。胡軍[7]以某基坑工程為例，分析了基坑卸載對地鐵車站的影響，研究結(jié)果表明：基坑須采用分步開挖、逐層卸載以保證基坑施工的質(zhì)量。萬俠[8]探析了地下水和地下水滲流速度對基坑施工的影響。劉金濤[9]分析了高層建筑深基坑施工的難點(diǎn)，并對難點(diǎn)提出了相關(guān)的施工建議，以提高施工的質(zhì)量。王振楠等[10]依托某基坑工程，利用數(shù)值模擬軟件分析了基坑施工對監(jiān)控橋墩位移的影響，研究結(jié)果表明：基坑施工中應(yīng)當(dāng)關(guān)注基坑周圍巖土體受力的影響。

然而以上的研究并沒有分析不同的工況下，基坑開挖結(jié)束后基坑豎向位移的變化，因此本文結(jié)合一具體基坑工程，利用數(shù)值模擬對五種不同工況下的施工方案進(jìn)行了研究，此研究方法可以類似的基坑工程提供參考。

1 工程概況

水利工程位于西部地區(qū)，基坑開挖區(qū)域?yàn)榉且粋€(gè)規(guī)則的四邊形，，所在區(qū)域巖土體從上至下依次為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖，巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1。

基坑工程選擇五種工況，工況如下：

工況一：分部開挖、設(shè)置樁，坑底不加固；

工況二：分部開挖、不設(shè)樁、坑底不加固；

工況三：分部開挖、不設(shè)樁、坑底加固；

工況四：分部開挖、設(shè)樁、坑底加固；

工況五：分部開挖、設(shè)樁、坑底暫不加固、后期進(jìn)行加固。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬研究過程

2.1 模型的建立

如圖1所示，施工區(qū)域長×寬×高為300 m×300 m×80 m，因?yàn)榛訁^(qū)域?yàn)椴灰?guī)則的形狀，結(jié)合以往數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)和施工經(jīng)驗(yàn)可知，此研究區(qū)域長和寬分別為基坑區(qū)域的3倍，施工區(qū)域的高為基坑深度的2倍，通過試算可知，此研究區(qū)域的選擇是合理的。

圖1 基坑立面圖(單位：m)

2.2 模型的屬性

五種工況下分部開挖共分4次開挖，每次開挖的深度均為6 m，若設(shè)置樁，則樁為直徑的0.8 m圓柱體，樁的填充材料為砼，砼的選擇為C30。若坑底進(jìn)行加固，加固采用橫撐。四種工況下均采用地下連續(xù)墻進(jìn)行支護(hù)(圖2)。

圖2 地下連續(xù)墻

數(shù)值模擬采用MIDAS GTS，土體本構(gòu)模型采用DRUKER-PRAGER，地下連續(xù)墻和樓板均采用板單元，橫撐采用梁單元，梁單元采用鋼的屬性，樁和錨桿均采用植入式桁架單元。

2.3 模擬的結(jié)果

結(jié)合以上五種工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬計(jì)算至基坑穩(wěn)定時(shí)停止，因?yàn)榛拥某两凳潜疚难芯康闹攸c(diǎn)，所以將基坑的豎向位移展示如圖3～圖7。

圖3 工況1條件下基坑的豎向位移(單位：m)

如圖3所示，基坑分四次開挖，設(shè)置樁，坑底不進(jìn)行加固處理，基坑最大的沉降為84.4 mm，此區(qū)域占巖土體的11.1%，32.6%的巖土體幾乎沒有豎向位移。此區(qū)域基坑的最大沉降值不超過100 mm，一定程度上說明基坑的豎向位移控制在合理的范圍內(nèi)，安全隱患較小。

圖4 工況2條件下基坑的豎向位移(單位：m)

圖5 工況3條件下基坑的豎向位移(單位：m)

如圖4所示，基坑分四次開挖，不設(shè)置樁，坑底不進(jìn)行加固處理，基坑最大的沉降為475.3 mm，此區(qū)域占巖土體的11.0%，31.9%的巖土體幾乎沒有豎向位移。此區(qū)域基坑的最大沉降值遠(yuǎn)超過400 mm，一定程度上說明基坑的豎向位移過大，安全隱患嚴(yán)重，須進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)。

如圖5所示，基坑分四次開挖，設(shè)置樁，坑底進(jìn)行加固處理，基坑最大的沉降為474.3 mm，此區(qū)域占巖土體的11.0%，33.9%的巖土體幾乎沒有豎向位移。此區(qū)域基坑的最大沉降值遠(yuǎn)超過400 mm，一定程度上說明基坑的豎向位移過大，安全隱患嚴(yán)重，須進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)。

圖6 工況4條件下基坑的豎向位移(單位：m)

如圖6所示，基坑分四次開挖，設(shè)置樁，坑底進(jìn)行加固處理，基坑最大的沉降為84.3 mm，此區(qū)域占巖土體的10.9%，31.8%的巖土體幾乎沒有豎向位移。此區(qū)域基坑的最大沉降值不超過100 mm，一定程度上說明基坑的豎向位移控制在合理的范圍內(nèi)，安全隱患較小。

圖7 工況5條件下基坑的豎向位移(單位：m)

如圖7所示，基坑分四次開挖，設(shè)置樁，坑底暫不加固，后期進(jìn)行加固處理，基坑最大的沉降為97.5 mm，此區(qū)域占巖土體的11.1%，31.4%的巖土體幾乎沒有豎向位移。此區(qū)域基坑的最大沉降值不超過100 mm，一定程度上說明基坑的豎向位移控制在合理的范圍內(nèi)，安全隱患較小。

結(jié)合以上數(shù)值模擬的結(jié)果可知，當(dāng)不設(shè)計(jì)樁的時(shí)候，基坑的豎向位移均超過400 mm，此位移達(dá)不到工程的要求，安全系數(shù)也達(dá)不到，必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案中必須加樁。

加樁后基坑的豎向位移均不超過100 mm，說明豎向位移得到了有效的控制，基坑的處置方案有效，豎向位移最小的方案為分部開挖、設(shè)置樁、并且在坑底進(jìn)行加固處理。第五個(gè)方案中沒有及時(shí)進(jìn)行坑底加固，而是后期再進(jìn)行加固，導(dǎo)致基坑的豎向位移增加，但是依然控制在合理的范圍內(nèi)，說明了坑底及時(shí)加固對基坑控制豎向位移有一定的作用，此作用也較為明顯。

2.4 數(shù)值模擬總結(jié)

(1)基坑的開挖過程中若不設(shè)計(jì)樁，那么基坑的安全性得不到保證，會(huì)造成較為嚴(yán)重的豎向位移變化，易導(dǎo)致施工事故的發(fā)生，須加以重視。

(2)設(shè)置樁以后基坑的豎向位移基本上得到了有效的控制，坑底是否加固與加固是否及時(shí)也對基坑的豎向位移會(huì)造成的一定的影響，尤其是坑底是否加固及時(shí)，對基坑的豎向位移影響較為嚴(yán)重。

3 結(jié)語

(1)基坑開挖過程中，若不設(shè)計(jì)樁，那么基坑的豎向位移將較大，此位移遠(yuǎn)超過工程允許的范圍，由此可知基坑開挖過程中必須加樁，否則會(huì)造成安全事故。

(2)坑底加固與否對基坑的豎向位移造成一定的影響，但是此影響不會(huì)造成較大的安全隱患，另一方面坑底是否加固及時(shí)，也會(huì)對基坑開挖的豎向位移較成一定的影響，此影響較明顯。

(3)數(shù)值模擬僅通過豎向位移對五種工況進(jìn)行分析，并沒有從受力和塑性區(qū)的角度進(jìn)行分析，此方面的研究有待進(jìn)一步深入。