基坑開(kāi)挖變形及其對(duì)周?chē)ㄖ挠绊懛治?/h1>

2022-10-07 13:14:28程馨玉付成華蔣林杰

人民珠江訂閱 2022年9期 收藏

關(guān)鍵詞：有限元變形模型

程馨玉，付成華，劉 健，蔣林杰

(1.四川岷江港航電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 樂(lè)山 614001；2.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川 成都 610039)

隨著中國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展，許多城市進(jìn)入大規(guī)模的舊城改造階段，涌現(xiàn)了大量的基坑開(kāi)挖工程[1]。在密集的建筑物和復(fù)雜的地下空間利用形勢(shì)下，基坑的開(kāi)挖條件越來(lái)越復(fù)雜?；娱_(kāi)挖時(shí)，主動(dòng)區(qū)土體的卸荷效應(yīng)[2]會(huì)使地層產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，導(dǎo)致周?chē)R近建筑產(chǎn)生嚴(yán)重的變形損壞[3-4]，影響建筑物正常使用和其耐久性[5]。反之，周?chē)R近建筑物會(huì)導(dǎo)致新開(kāi)挖基坑的變形更為明顯，可見(jiàn)基坑開(kāi)挖與周邊環(huán)境的影響是相互的[6]。

近幾年基坑開(kāi)挖與周?chē)ㄖ锏南嗷ビ绊憜?wèn)題得到了廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)后基坑和鄰近建筑物的沉降、變形做了許多研究。Mangushev等[7]在實(shí)際工程的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究了基坑開(kāi)挖過(guò)程中臨近建筑物發(fā)生沉降變形的原因，并采用有限單元法計(jì)算了加固后的臨近建筑物的沉降。王浩然等[8]以上海某具體工程為對(duì)象，通過(guò)土體硬化模型的三維有限元數(shù)值模擬和工程實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，研究了敏感環(huán)境下深基坑開(kāi)挖時(shí)基坑變形及其對(duì)周邊環(huán)境的影響。張治國(guó)等[9]采用三維有限元軟件建立大底盤(pán)多塔樓模型，研究了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近大底盤(pán)多塔樓變形的影響以及大底樓盤(pán)樁基和板筏的變形規(guī)律。劉睿[10]用有限元軟件建立北京地鐵十四號(hào)線望京站三維模型，分析了兩個(gè)明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律和基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物的差異沉降及側(cè)移的影響。李鋼等[11]依托某樁錨支護(hù)深基坑工程，建立了深基坑支護(hù)體系與鄰近建筑物的三維計(jì)算模型，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了深基坑開(kāi)挖而引起的鄰近建筑變形特征和沉降穩(wěn)定性等問(wèn)題。

以成都市某深基坑工程為例，研究基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，基坑周?chē)蛢?nèi)部土體的變形特征，以及基坑開(kāi)挖對(duì)臨近建筑物產(chǎn)生的影響。通過(guò)模擬實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程，結(jié)合施工期監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)比分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周?chē)蛢?nèi)部土體、周?chē)ㄖ锏淖冃巍?/p>

1 基坑工程概況

擬建建筑物基坑面積約為5 000 m2，基坑周長(zhǎng)約為430 m，距基坑1.2 m處為6層框架結(jié)構(gòu)建筑物，總高26 m。擬建場(chǎng)地主要由第四系人工堆積填土，第四系全新統(tǒng)沖積粉土、細(xì)砂，沖洪積中砂及卵石以及白堊系上統(tǒng)灌口組泥質(zhì)砂巖組成，地層分布見(jiàn)圖1，自上而下土層及主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.1 基坑開(kāi)挖與支護(hù)方案

基坑開(kāi)挖深度為8.5 m，安全等級(jí)為一級(jí)，基坑支護(hù)采用錨拉樁+斜撐+角撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。靠近建筑物一面A—C段的支護(hù)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1?；讛M采用錨拉樁支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，樁徑1.2 m，樁間距2 m，樁長(zhǎng)16.5 m，樁身混凝土等級(jí)為C30；樁頂設(shè)置冠梁一道，寬1.2 m，高0.8 m，冠梁混凝土等級(jí)為C35；在冠梁陰角處設(shè)置四道角支撐，采用鋼管作為支撐材料，直徑0.6 m，厚度0.2 m；距冠梁頂3 m處設(shè)置錨索4束，錨索長(zhǎng)度為19 m，錨固段長(zhǎng)度為13 m，自由段長(zhǎng)度為6 m，采取預(yù)應(yīng)力250 kN；冠梁以下4.5 m設(shè)置5條內(nèi)支撐鋼管，材質(zhì)與角支撐相同，連接基坑底面；排樁之間的臨空土面，采取30 cm厚的C25噴射混凝土鋪滿。其他區(qū)域均采用排樁+冠梁+噴射混凝土的支護(hù)方式。

圖1 地層分布及支護(hù)結(jié)構(gòu)示意

1.2 監(jiān)測(cè)布置

為更好監(jiān)測(cè)基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生的影響，按照工程建設(shè)監(jiān)測(cè)要求及相關(guān)規(guī)范[12]進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)預(yù)警值[13-14]見(jiàn)表2。臨近建筑物和基坑的監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖2。

表2 監(jiān)測(cè)預(yù)警值

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置及模型計(jì)算范圍示意

2 變形的實(shí)測(cè)資料分析

2.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

開(kāi)挖至基坑底部到-8.5 m時(shí)，取基坑靠近建筑物一側(cè)的A、B、C這3個(gè)累計(jì)水平位移最大的測(cè)點(diǎn)，其支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的累計(jì)水平位移歷時(shí)變化曲線見(jiàn)圖3。支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移累計(jì)最大值發(fā)生在B點(diǎn)處圍護(hù)樁頂部，為8.2 mm，未達(dá)到監(jiān)測(cè)預(yù)警值；最大變化速率發(fā)生在A點(diǎn)處，為0.6 mm/d，未達(dá)到監(jiān)測(cè)預(yù)警值。在整個(gè)基坑施工期間，總體上基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移隨施工發(fā)生不均勻變化；在基坑開(kāi)挖至底部時(shí)，水平位移達(dá)到最大值；后期隨著基礎(chǔ)施工產(chǎn)生荷載的施加，圍護(hù)樁側(cè)向位移發(fā)生回彈，繼而趨于穩(wěn)定。樁頂累計(jì)水平位移總體開(kāi)挖滿足的基坑變形設(shè)計(jì)控制指標(biāo)[14]。

圖3 圍護(hù)樁頂累計(jì)水平位移歷時(shí)變化曲線

2.2 周?chē)ㄖ锍两捣治?/h3>

周?chē)ㄖ锢塾?jì)沉降歷時(shí)曲線見(jiàn)圖4。建筑物靠近基坑一側(cè)相較于遠(yuǎn)離基坑一側(cè)沉降更為明顯。開(kāi)挖至基坑底部時(shí)，建筑物靠近基坑一側(cè)的JZ8點(diǎn)處為預(yù)留土體最薄弱的點(diǎn)，其累計(jì)沉降值最大，為12.81 mm，沉降值最小點(diǎn)為JZ3。對(duì)于累計(jì)沉降差最大的測(cè)點(diǎn)JZ8，角變量為0.57×10-5(設(shè)計(jì)角變量為0.002[14])，最大沉降速率為1.1 mm/d，建筑物整體朝著基坑方向傾斜。建筑物的沉降累計(jì)值、角變量和變形速率均小于監(jiān)測(cè)預(yù)警值。

圖4 周?chē)ㄖ锢塾?jì)沉降歷時(shí)變化曲線

3 變形的有限元計(jì)算分析

3.1 計(jì)算范圍及計(jì)算條件

3.1.1計(jì)算范圍

基坑的開(kāi)挖卸荷存在一定范圍的影響區(qū)域[15]，見(jiàn)表3。本工程計(jì)算模型以基坑外輪廓為準(zhǔn)，擴(kuò)大3倍開(kāi)挖深度，使模型范圍包括可能影響區(qū)，最終確定計(jì)算模型尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為：104 m×74 m×30 m。

表3 基坑工程影響分區(qū)

3.1.2假定條件

數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化：①模型介質(zhì)取連續(xù)介質(zhì)；②模型材料取各向同性；③支護(hù)結(jié)構(gòu)如排樁、冠梁等采用線彈性模型；④不考慮地下水作用。

3.1.3邊界條件

模型上部地表設(shè)置為自由邊界條件，水平方向設(shè)置水平位移約束，底部設(shè)置固定邊界。

3.2 有限元模型建立

根據(jù)計(jì)算范圍，建立新開(kāi)挖基坑和周?chē)扔薪ㄖ锏娜S有限元數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖5。在模型中，采用三維實(shí)體單元模擬土體；二維板單元模擬噴射混凝土結(jié)構(gòu)；一維梁?jiǎn)卧M排樁、冠梁、支撐等支護(hù)結(jié)構(gòu)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)包括支護(hù)樁、冠梁、預(yù)應(yīng)力錨索、腰梁、土釘與噴面等，見(jiàn)圖6。參考張瑞金等[16]的研究結(jié)果，基于修正摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

圖5 三維有限元計(jì)算模型

圖6 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

利用PKPM建立周?chē)扔薪ㄖ锬Ｐ?，?jì)算建筑的底層柱軸力和附加應(yīng)力，作為有限元模型外部荷載?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬基坑開(kāi)挖步驟

建立有限元模型，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中各施工步驟，具體為：①基坑初始地應(yīng)力平衡，位移清零；②臨近建筑物荷載施加，位移清零；③基坑圍護(hù)樁施工，冠梁施工；④基坑土體第一層開(kāi)挖3 m，角支撐施工，第一層噴混施工、錨桿施工；⑤基坑土體第二層開(kāi)挖1.5 m，第二層噴混施工、錨桿施工；⑥土體第三層開(kāi)挖2 m，噴混施工；⑦土體第四層開(kāi)挖2 m，噴混施工，斜支撐施工。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1基坑圍護(hù)樁變形分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑周邊土體自重應(yīng)力和臨近建筑豎向荷載共同作用下發(fā)生側(cè)位移，取基坑靠近建筑物側(cè)為開(kāi)挖過(guò)程中的研究重點(diǎn)。圍護(hù)樁水平位移見(jiàn)圖7、8。由圖7可知：基坑開(kāi)挖完，冠梁跨中圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移隨著開(kāi)挖深度的增加不斷增大，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)均向基坑內(nèi)部偏移?；忧昂髢蓚?cè)上的位移變化要大于基坑左右兩側(cè)上的變化，一方面是基坑在臨近建筑物一側(cè)的荷載作用，另一方面是基坑前后兩側(cè)的臨空面較大，剛度較小，容易產(chǎn)生變形。開(kāi)挖到基底時(shí)，建筑物一側(cè)向內(nèi)最大偏移量為13.3 mm?；釉诮ㄖ飳?duì)應(yīng)側(cè)的位移小于無(wú)建筑物側(cè)，經(jīng)分析考慮其原因?yàn)椋航ㄖ飩?cè)凸起位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)跨度較小，剛度較大；同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的兩排短排樁對(duì)開(kāi)挖臨空面起支撐作用，分擔(dān)了部分側(cè)向力。

取基坑在建筑物側(cè)跨中最不利的位置測(cè)點(diǎn)B為研究對(duì)象得到樁身位移，由圖8可知：各開(kāi)挖階段的最大水平位移皆發(fā)生在樁頂處。圍護(hù)樁測(cè)點(diǎn)B處在每個(gè)開(kāi)挖施工階段都表現(xiàn)出朝坑內(nèi)位移的趨勢(shì)，這是在建筑物荷載下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間共同受力作用的特征。隨著開(kāi)挖深度加大，樁體暴露的臨空面增多，樁身整體位移越來(lái)越明顯，越靠近上部，位移越大。樁頂位移最大為13.3 mm，滿足規(guī)范[17]要求的小于15.3 mm。

a)步驟4

a)步驟4

b)步驟5

b)步驟5

c)步驟6

c)步驟6

d)步驟7

d)步驟7

圖8 測(cè)點(diǎn)B處圍護(hù)樁側(cè)向位移曲線

3.4.2基坑沉降分析

a)基坑周邊土體沉降分析。有限元計(jì)算各開(kāi)挖步驟下基坑底部及周邊土體變形云圖見(jiàn)圖9，基坑靠近建筑物側(cè)和無(wú)建筑物側(cè)的坑外土體豎向位移最大，而且隨著基坑開(kāi)挖深度增加，越靠近基坑邊緣土體沉降就越大。在基坑的無(wú)建筑物一側(cè)，取測(cè)點(diǎn)H繪制步驟4—7的基坑周邊土體沉降值曲線見(jiàn)圖10。在每個(gè)開(kāi)挖深度下，地表土體沉降均呈“凹槽型”，且隨著開(kāi)挖深度增加，其沉降也增大，最大沉降值為14.9 mm；在距基坑邊緣12.5 m以?xún)?nèi)的土體沉降變化較大，距基坑邊緣12.5 m以外的土體沉降逐漸變小并慢慢趨于穩(wěn)定。

a)步驟4

b)步驟5

c)步驟6

d)步驟7

圖10 不同步驟下基坑距周?chē)乇硗馏w沉降值曲線

b)基坑底面土體變形分析。取測(cè)點(diǎn)B與測(cè)點(diǎn)H連線所在的基坑截面為研究對(duì)象，繪制步驟4—7基坑底面土體豎向位移見(jiàn)圖11。由圖可知：基坑底面呈現(xiàn)中間土體稍隆起的“凹槽型”，隨著基坑開(kāi)挖深度增加，坑底應(yīng)力釋放趨于平穩(wěn)，基坑底面隆起值逐漸減小。開(kāi)挖至坑底，隆起值穩(wěn)定在4.2 mm左右，最大隆起值發(fā)生在步驟5中靠近測(cè)點(diǎn)B的一側(cè)，其值為9.79 mm?；拥酌尕Q向位移呈“凹槽型”分布的原因考慮為：一是由于開(kāi)挖破壞了建筑物修建后形成的地應(yīng)力環(huán)境和土體自身的應(yīng)力穩(wěn)定狀態(tài)，移去覆土荷載后，土體應(yīng)力釋放造成土體回彈，基坑底部土體隆起；二是主動(dòng)土壓力及周?chē)ㄖ奢d引起的應(yīng)力作用，使基坑周邊土體發(fā)生向坑內(nèi)的塑性變形；三是基坑邊緣因幾何構(gòu)造呈90°尖角形，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致基坑角落處變形較大。

圖11 步驟4—7基坑底部土體豎向位移

3.4.3基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)ㄖ挠绊懛治?/p>

基坑各層開(kāi)挖改變了原有的土體應(yīng)力場(chǎng)，最直接的表現(xiàn)就是建筑物的沉降。根據(jù)數(shù)值模擬云圖取JZ1至JZ10的沉降值見(jiàn)圖12。建筑物靠近基坑一側(cè)的沉降比遠(yuǎn)離基坑一側(cè)的沉降大，且開(kāi)挖深度越大，沉降越大。直到步驟7土體開(kāi)挖完，建筑物最大沉降發(fā)生在JZ8點(diǎn)處，沉降量為10.52 mm，角變量為0.75×10-3。遠(yuǎn)離基坑一側(cè)與靠近基坑一側(cè)產(chǎn)生差異沉降的原因是，在基坑開(kāi)挖之前，土體在建筑物荷載下已進(jìn)行自我平衡，基坑土體被移走之后，應(yīng)力條件發(fā)生改變。開(kāi)挖導(dǎo)致地表及建筑物產(chǎn)生不同程度的沉降，建筑物距基坑近的一側(cè)受影響較大，較遠(yuǎn)一側(cè)受影響較小。

圖12 周?chē)ㄖ锘A(chǔ)沉降模擬值

4 綜合分析

在實(shí)測(cè)變形分析和有限元計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)最大建筑地基荷載和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形位置確定變形最不利位置為測(cè)點(diǎn)B處，對(duì)測(cè)點(diǎn)B處圍護(hù)樁變形進(jìn)行綜合分析。

因基坑開(kāi)挖至基底時(shí)樁頂?shù)乃轿灰屏孔畲螅嗜〈藭r(shí)測(cè)點(diǎn)B處樁體水平位移的有限元計(jì)算值同實(shí)測(cè)值和規(guī)范法計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖13。監(jiān)測(cè)值、規(guī)范法計(jì)算值及有限元計(jì)算值的最大水平位移皆出現(xiàn)在樁頂處，依次為8.2、10.2、13.3 mm，隨樁身深度增大，水平位移逐漸減小。圍護(hù)樁整體水平位移的實(shí)測(cè)值最小，規(guī)范法計(jì)算值介于實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值之間。實(shí)測(cè)位移值略小于模擬值，考慮為工程所處位置的土體已經(jīng)固結(jié)，數(shù)值模擬條件簡(jiǎn)化，單純的模擬荷載沒(méi)能考慮到荷載產(chǎn)生的土體固結(jié)情況。

圖13 B點(diǎn)處樁體側(cè)向位移

在基坑開(kāi)挖完成后，圍護(hù)樁變形表現(xiàn)為整體向坑內(nèi)傾倒的趨勢(shì)，樁頂水平位移最大，變形形狀為“開(kāi)口型”。這是在土壓力和預(yù)應(yīng)力錨索以及開(kāi)挖至基底時(shí)架設(shè)鋼支撐等的共同作用下產(chǎn)生的變形特征，符合同類(lèi)型工程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征[18-19]。

水平位移的監(jiān)測(cè)值、規(guī)范法計(jì)算值及有限元計(jì)算值有一定差別，但總體變形規(guī)律基本一致，說(shuō)明數(shù)值模擬計(jì)算較為合理?；娱_(kāi)挖是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，針對(duì)實(shí)際工程，可以在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬計(jì)算分析基坑變形特性及其開(kāi)挖對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?，綜合分析和指導(dǎo)基坑變形預(yù)測(cè)和安全評(píng)估。

5 結(jié)語(yǔ)

依托某深基坑開(kāi)挖工程實(shí)例，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和開(kāi)挖過(guò)程的有限元數(shù)值模擬計(jì)算，綜合分析了基坑圍護(hù)樁變形、基坑沉降和基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊憽?/p>

a)基坑開(kāi)挖到基底時(shí)，建筑物的傾斜程度和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移隨開(kāi)挖深度的加大逐漸增大。圍護(hù)樁頂部的最大水平位移為13.3 mm，基坑內(nèi)土體最大沉降為14.9 mm，周?chē)扔薪ㄖ镒畲蟪两禐?0.52 mm，均在規(guī)范要求的值以?xún)?nèi)，基坑支護(hù)效果明顯，保證了基坑和周?chē)ㄖ镏黧w結(jié)構(gòu)的安全。

b)基坑的最不利位置位于測(cè)點(diǎn)B處，因其處于基坑凸起部分的跨中，且處于基坑緊鄰建筑物一側(cè)，支撐建筑物抗傾斜的中間土體較少。隨著基坑開(kāi)挖深度加深，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和周?chē)ㄖ锏淖冃瘟慷荚谥饾u增大。但隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施加，削弱了土體應(yīng)力，基坑和周?chē)ㄖ锏淖冃蔚玫接行У目刂啤?/p>

c)由于數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行了適當(dāng)概化，所以圍護(hù)樁側(cè)向位移的有限元計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值、規(guī)范法計(jì)算值存在一定的差異，但相差不大，總體變化趨勢(shì)一致，且都在規(guī)范允許范圍內(nèi)，數(shù)值模擬分析結(jié)果可為類(lèi)似基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考。

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