張彥輝 張紅瓊

(1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.湖北省地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

隨著新技術(shù)新工藝的不斷革新，人們對(duì)生活品質(zhì)的追求越來(lái)越高，針對(duì)用地資源緊張的問(wèn)題，很多開(kāi)發(fā)商越來(lái)越瞄準(zhǔn)地下空間的使用，各種大型基坑越來(lái)越常見(jiàn)。由于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)比較復(fù)雜，目前還沒(méi)有完整的土壓力理論來(lái)指導(dǎo)支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的土壓力計(jì)算，所以在常規(guī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中仍沿用傳統(tǒng)計(jì)算理論，有一定的誤差。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者試圖在傳統(tǒng)土壓力計(jì)算理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合一定的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，希望能夠達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際工程的目的。但是各種成因之間的相互影響關(guān)系很難理清，在脫離工程實(shí)際的情況下，極易造成基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形過(guò)量，嚴(yán)重的話會(huì)造成工程安全事故，所以應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行基坑支護(hù)的方案設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

該小區(qū)位于東站路與紅衛(wèi)橫路(待建)交匯口西南角，擬建項(xiàng)目由五棟25層住宅樓附屬商業(yè)及地下室組成，擬建建筑為框架及剪力墻結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目規(guī)劃總占地面積約20 856.0m2，規(guī)劃總建筑面積100 510.0m2。建筑物采用樁基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式，場(chǎng)區(qū)設(shè)有1～3層；地下室設(shè)有1～3層。場(chǎng)地±0標(biāo)高為82.3m，2#及4#樓南側(cè)2層商業(yè)樓設(shè)一層地下室，地下室高6m，底板厚0.3m，地下室結(jié)構(gòu)底板墊層底標(biāo)高為75.9m，擬建1#樓設(shè)兩層地下室，地下室高10.8m，底板厚0.3m，地下室結(jié)構(gòu)底板墊層底標(biāo)高為71.1m，其余地段設(shè)有三層地下室，地下室高15.2m，底板厚0.3m，地下室結(jié)構(gòu)底板墊層底標(biāo)高為66.7m；本基坑最大開(kāi)挖深度為17.08m，基坑成矩形，周長(zhǎng)約473.8m，開(kāi)挖面積約15 553.9m2，總面積約14.5萬(wàn)m3。

基坑?xùn)|側(cè)為東站路，基坑范圍線距離用地紅線(東站路人行道邊線)10.7m，距東站路車(chē)行道邊線17.7m?；游鱾?cè)為已建的住宅小區(qū)，基坑外側(cè)為一條水泥路，基坑范圍線距離用地紅線最近距離為6m， 距離水泥路最近距離9.3m；基坑北側(cè)為擬建的紅衛(wèi)橫路(目前還未施工)，基坑外側(cè)為一條土路，基坑范圍線距離用地紅線最近距離為7.2m，距離土路最近距離14m；基坑南側(cè)為施工空地，基坑范圍線距離用地紅線8.3m。

2 有限元參數(shù)選取

(1)巖土層參數(shù)

選取典型剖面1-1設(shè)計(jì)剖面作為有限元數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算時(shí)，土體的本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性模型，對(duì)應(yīng)的屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb等面積圓屈服準(zhǔn)則，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2)

該剖面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是采用雙排樁支護(hù)，樁徑1m，中心間距1.5m，排距4m，樁長(zhǎng)為23m，用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，需要輸入彈性模量E、橫截面積A和慣性矩I。用桿件單元來(lái)模擬中間聯(lián)系梁，輸入彈性模量和橫截面積兩個(gè)參數(shù)，基于平面應(yīng)變進(jìn)行分析，按照等效抗彎剛度原則，將非連續(xù)的支護(hù)樁等效為連續(xù)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3 模型建立

根據(jù)該剖面的地層實(shí)際狀況建立二維模型。分別在模型底部、左側(cè)和右側(cè)加上水平位移約束，同時(shí)在模型底部設(shè)置豎向位移約束。

在實(shí)際施工過(guò)程中，考慮基坑外側(cè)的堆載重物等情況，根據(jù)基坑工程規(guī)范要求，將堆載重物按照距離基坑邊3m，作用寬度為15m，并且超載值設(shè)置為30kPa的情況進(jìn)行計(jì)算。有限元模型以及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 模型計(jì)算網(wǎng)格

4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)參數(shù)選擇、初始邊界條件設(shè)置等來(lái)對(duì)該小區(qū)基坑內(nèi)部的位移變形、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)進(jìn)行模擬，并得到相應(yīng)的結(jié)果，現(xiàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

每次進(jìn)行基坑開(kāi)挖后，土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榛觾?nèi)外的土壓力差二不斷產(chǎn)生變形以達(dá)到新的平衡。隨著開(kāi)挖面上自重應(yīng)力的釋放，基坑內(nèi)側(cè)土體向上產(chǎn)生回彈變形，加上支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移，擠壓結(jié)構(gòu)周?chē)馏w，導(dǎo)致基坑底部的隆起?；娱_(kāi)挖引起的變形主要表現(xiàn)在基坑內(nèi)側(cè)土體的隆起和外側(cè)土體向基坑內(nèi)的移動(dòng)。

(1)位移變形

圖2、圖3給出了基坑支護(hù)后的水平方向位移、豎直方向位移 (按5mm的增量來(lái)設(shè)置相鄰等值線)。通過(guò)圖2數(shù)據(jù)顯示，基坑的水平位移值均為負(fù)值，說(shuō)明基坑外的土體有向基坑內(nèi)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。還可以看出水平位移等值線的趨勢(shì)大體指向坡面，并且從坡內(nèi)到坡外位移值逐漸增大，同時(shí)在坡頂處位移大于其他部位，這是由于坡頂受到荷載作用。水平位移峰值為39mm，位于坡頂表層范圍內(nèi)(荷載作用處)，位于支護(hù)樁附近，樁頂水平位移約為37mm，這與理正計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果相差不大。從圖3可以看出，基坑豎直位移與水平位移分布基本一致，最大豎直位移出現(xiàn)在坡頂荷載作用處。

圖2 水平方向位移云圖(單位：m)

圖3 豎直方向位移云圖(單位：m)

(2)應(yīng)力分析

基坑支護(hù)后的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力云圖如圖4～圖6所示(按50kPa的增量設(shè)置相鄰等值線)。

圖4 最大主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖5 最小主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖6 剪切應(yīng)力云圖(單位：kPa)

圖7 塑性區(qū)分布圖(單位：kPa)

從圖4中可以看出土體的最大主應(yīng)力隨深度增加而不斷增大。由于開(kāi)挖面上的卸荷，基坑外側(cè)同一水平面比內(nèi)側(cè)土層的最大主應(yīng)力值大了約250kPa。在基坑坡面附近，應(yīng)力分布比較復(fù)雜，規(guī)律性不強(qiáng)，大體與坡面平行，但局部存在多處應(yīng)力集中。同時(shí)在強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層交界處支護(hù)樁樁端應(yīng)力集中相當(dāng)集中，說(shuō)明樁在該處最易發(fā)生破壞。

最小主應(yīng)力(圖5)也隨深度的增加而變大，與最大主應(yīng)力分布圖相比較而言，分布相對(duì)較為簡(jiǎn)單，應(yīng)力集中主要分布在強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層交界處支護(hù)樁樁端。

最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的差值決定了剪應(yīng)力的大小，所以剪應(yīng)力云圖(圖6)和最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力云圖有很多共同特點(diǎn)：隨深度增加應(yīng)力不斷增大，同一水平面上，基坑內(nèi)外的最大剪應(yīng)力相差40～60kPa，在強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層交界處支護(hù)樁樁端應(yīng)力集中相當(dāng)明顯，可能出現(xiàn)了塑性變形。

(3)塑性區(qū)分析

圖7給出了基坑支護(hù)后的塑性區(qū)云圖(彩色部分代表塑性區(qū))，從圖中可以看出，塑性區(qū)主要集中在坑頂荷載作用影響范圍內(nèi)，分布整體呈交叉45°，且越遠(yuǎn)離荷載作用位置，塑性區(qū)約不明顯。

5 結(jié) 論

本章采用Geo Studio有限元軟件對(duì)某花園小區(qū)四期A地塊基坑工程這一工程實(shí)例進(jìn)行了分析。首先介紹了基坑參數(shù)的選取、模型的建立以及邊界的約束與荷載情況，分析了基坑在采用雙排樁支護(hù)后的變形特性；給出了基坑土體的應(yīng)力應(yīng)變特征，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，將計(jì)算成果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析， 有限元數(shù)值分析能夠很直觀地反映出基坑的應(yīng)力應(yīng)變、變形趨勢(shì)以及分布規(guī)律，分析得出在強(qiáng)風(fēng)化巖層與中風(fēng)化巖層交界處支護(hù)樁樁端應(yīng)力最為集中，坑頂受荷載作用范圍附近容易出現(xiàn)塑性區(qū)，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，基本變形趨勢(shì)與實(shí)際情況大體一致，對(duì)基坑實(shí)際支護(hù)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)有了更為直觀的認(rèn)識(shí)及指導(dǎo)意義。