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        基于ABAQUS基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力位移及穩(wěn)定性分析

        2022-11-09 12:57:54徐雪梅
        四川建筑 2022年5期
        關(guān)鍵詞:深度水平

        蔡 濤, 何 翔, 張 廣, 徐雪梅

        (武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北武漢430023)

        隨著建筑物的高度不斷提升,基坑的開(kāi)挖深度也在不斷加深。深基坑工程的安全與否,放坡形成的邊坡穩(wěn)定性以及合適的深基坑的支護(hù)方式成了重中之重。目前,邊坡穩(wěn)定性的分析方法眾多,其中有限單元法是目前研究邊坡穩(wěn)定性最常用方法之一[1]。深基坑的支護(hù)具有區(qū)域性和復(fù)雜性的特點(diǎn),因此針對(duì)不同的工況需要選擇不同的支護(hù)方式。目前,深基坑的支護(hù)方式主要有護(hù)坡樁、地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁等,其中護(hù)坡樁應(yīng)用的較多[2]。本文選用ABAQUS數(shù)模軟件,針對(duì)武漢某擴(kuò)建項(xiàng)目基坑開(kāi)挖問(wèn)題,在放坡及護(hù)坡樁支護(hù)的條件下,進(jìn)行基坑在開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定性分析,并進(jìn)行基坑隆起量以及荷載區(qū)沉降量的計(jì)算。仿真結(jié)果表明:基坑開(kāi)挖與放坡施工過(guò)程中邊坡相對(duì)穩(wěn)定,但基坑隆起量與邊坡水平位移量超出預(yù)警值,必須對(duì)基坑及坡面進(jìn)行加固處理,對(duì)護(hù)坡樁增加支護(hù)措施。

        1 工程背景

        1.1 工程概況

        某工程基坑如圖1所示。以支護(hù)樁為起點(diǎn),向兩邊各延長(zhǎng)50 m,土層總厚度取40 m,護(hù)坡樁的材料為C30混凝土,樁長(zhǎng)21 m。離坡頂邊2 m至右邊界有15 kPa的均布堆載,基坑開(kāi)挖深度為8.1 m,分層開(kāi)挖,每次開(kāi)挖深度為0.7~1 m。

        圖1 基坑(單位:m)

        1.2 數(shù)值模型

        根據(jù)上述數(shù)據(jù)利用ABAQUS有限元軟件建立對(duì)應(yīng)的基坑開(kāi)挖模型,模型材料為彈塑性多孔介質(zhì),本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。模型的底部邊界施加水平約束和豎向約束,模型的左右邊界施加水平約束。上邊界離坡頂邊2 m至右邊界施加均布荷載,網(wǎng)格單元類型為CPE4。先采用地層-結(jié)構(gòu)法對(duì)整體模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡[3],然后施加護(hù)坡樁,最后逐層開(kāi)挖,分析在開(kāi)挖過(guò)程中邊坡及基坑的穩(wěn)定性。

        依據(jù)基坑開(kāi)挖深度,地質(zhì)條件及周邊環(huán)境等,對(duì)照地方標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定,確定本基坑及放坡等級(jí)均為二級(jí)。依據(jù)GB50497-2019《建筑基坑工程檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4],開(kāi)挖完成后樁頂最大水平位移應(yīng)小于40 mm,最大豎向位移應(yīng)小于30 mm;荷載區(qū)最大沉降量應(yīng)小于60 mm,基坑最大隆起量應(yīng)小于60 mm。

        在建立二維模型時(shí),將均布荷載,地應(yīng)力平衡等條件納入模型,盡可能還原開(kāi)挖工況,建立符合實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型,土層參數(shù)如表1所示。

        表1 模型參數(shù)

        2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        2.1 特征節(jié)點(diǎn)分析

        為更加方便對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中邊坡的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行觀測(cè),選取邊坡的6個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),6個(gè)特征結(jié)點(diǎn)如圖2所示。其中結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2分別表示的是一級(jí)坡的坡頂和坡腳,結(jié)點(diǎn)3和結(jié)點(diǎn)4分別表示的是二級(jí)坡的坡頂和坡腳,結(jié)點(diǎn)5表示的是護(hù)坡樁的樁頂,結(jié)點(diǎn)6表示的是基坑土體與護(hù)坡樁的接觸點(diǎn)。

        圖2 特征結(jié)點(diǎn)

        2.1.1 特征結(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

        基坑開(kāi)挖完成后邊坡的局部放大應(yīng)力云圖如圖3所示。水平有效應(yīng)力和豎向有效應(yīng)力隨開(kāi)挖深度變化曲線如圖4所示。

        圖3 基坑開(kāi)挖完成后邊坡局部放大的應(yīng)力云圖

        圖4 水平和豎向有效應(yīng)力隨開(kāi)挖深度變化曲線

        結(jié)合應(yīng)力云圖和有效應(yīng)力隨開(kāi)挖深度變化曲線可知,土體各結(jié)點(diǎn)都處于應(yīng)力釋放過(guò)程中。除結(jié)點(diǎn)4(二級(jí)坡坡腳)土體在進(jìn)行6.3 m深度開(kāi)挖后,水平應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值,其他各結(jié)點(diǎn)均為正值,這說(shuō)明在進(jìn)行6.3 m深度開(kāi)挖后,結(jié)點(diǎn)4開(kāi)始處于受拉狀態(tài),其余結(jié)點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)。當(dāng)護(hù)坡樁向基坑內(nèi)部偏移超過(guò)了極限平衡狀態(tài)時(shí),結(jié)點(diǎn)4出現(xiàn)受拉符合實(shí)際情況。結(jié)點(diǎn)5在開(kāi)挖5.5 m后迅速產(chǎn)生了相反方向的水平應(yīng)力,豎向應(yīng)力也會(huì)有一定幅度的減小。這是因?yàn)樵陂_(kāi)挖5.5 m后,隨著基坑底部的土體被逐漸挖除,護(hù)坡樁開(kāi)始更多的承受邊坡的土壓力,出現(xiàn)水平應(yīng)力的不斷增大,方向基坑內(nèi)部。同時(shí),基坑底部的隆起帶動(dòng)護(hù)坡樁產(chǎn)生拉力,導(dǎo)致護(hù)坡樁豎向應(yīng)力的減小。

        2.1.2 特征結(jié)點(diǎn)位移分析

        邊坡各結(jié)點(diǎn)開(kāi)挖完成后的局部放大位移云圖如圖5所示。水平位移和豎向位移隨開(kāi)挖深度變化曲線如圖6所示,符號(hào)規(guī)定與坐標(biāo)軸方向一致。

        圖5 基坑開(kāi)挖完成后邊坡局部放大的位移云圖

        圖6 水平和豎向位移隨開(kāi)挖深度變化曲線

        結(jié)合位移云圖和水平和豎向位移隨開(kāi)挖深度變化曲線可知:6個(gè)特征點(diǎn)的水平位移隨開(kāi)挖深度的變化均為向左,即為向基坑內(nèi)部方向發(fā)生位移,且隨著開(kāi)挖深度的不斷加深水平應(yīng)力也在不斷的增大,并在開(kāi)挖完成后,水平位移達(dá)到最大值,各結(jié)點(diǎn)的最大水平位移分別為15 mm、54 mm、56 mm、57 mm、56 mm、49 mm。結(jié)點(diǎn)1的豎向位移均為先增大后減小,即豎向位移先向上再向下,豎向位移向上最大為10 mm,向下最大值 3 mm。結(jié)點(diǎn)2~結(jié)點(diǎn)6的豎向位移不斷增大,方向均為上方,各結(jié)點(diǎn)的最大豎向位移分別為43 mm、46 mm、40 mm、22 mm、20 mm。其中結(jié)點(diǎn)5表示的是樁頂?shù)奈灰?,樁頂?shù)乃轿灰茷?6 mm,豎向位移為22 mm。

        2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

        目前,強(qiáng)度折減法是有限單元法中對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)最常用的方法,強(qiáng)度折減法得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs是邊坡穩(wěn)定性最為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]。將場(chǎng)變量FV1與坡腳的水平位移U1的變化關(guān)系繪制于圖7中,若以位移拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),未加護(hù)坡樁的安全系數(shù)為0.98,施加護(hù)坡樁加固后,邊坡的安全系數(shù)提升至1.25,護(hù)坡樁的加固效果較明顯。

        圖7 有無(wú)護(hù)坡樁FV1-U1曲線

        2.3 基坑隆起位移分析

        在基坑底部,以護(hù)坡樁為起點(diǎn)直到左邊界創(chuàng)建一條路徑,將每個(gè)單元結(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn),數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖8所示。位移云圖及基坑隆起位移曲線如圖9和圖10所示。

        圖8 基坑結(jié)點(diǎn)路徑

        圖9 基坑隆起位移云圖

        圖10 基坑隆起位移曲線

        結(jié)合位移云圖和基坑隆起變化曲線可知,隨著距離護(hù)坡樁的距離不斷增大,基坑隆起位移不斷增大。護(hù)坡樁向基坑內(nèi)部方向偏移對(duì)護(hù)坡樁邊緣土體的隆起變形產(chǎn)生阻礙作用,在護(hù)坡樁周邊的基坑土體隆起只有20 mm;在距離20 m 以后的基坑隆起位移基本不變,達(dá)到106 mm的隆起位移。

        2.4 荷載區(qū)沉降位移分析

        在均布荷載區(qū),以離坡頂2 m為起點(diǎn)直到右邊界創(chuàng)建一條路徑,將每個(gè)單元結(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn),數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖11所示。位移云圖及荷載區(qū)沉降位移曲線如圖12、圖13所示。

        結(jié)合位移云圖和基坑隆起變化曲線可知隨著離坡頂距離的增加,荷載區(qū)的沉降位移呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì),在距離坡頂4 m左右處沉降位移達(dá)到最大值35 mm,隨著離坡頂距離的增加,沉降位移逐漸趨于穩(wěn)定為5 mm。

        圖11 荷載區(qū)結(jié)點(diǎn)路徑

        圖12 荷載區(qū)沉降云圖

        圖13 荷載區(qū)沉降位移曲線

        3 結(jié)論

        (1)通過(guò)對(duì)邊坡特征節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力位移、基坑底部隆起量、荷載區(qū)沉降量以及邊坡安全系數(shù)的綜合分析,該基坑護(hù)坡樁的施加使得邊坡和基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        (2)施加護(hù)坡樁,基坑邊坡的安全系數(shù)從0.98提升至1.25。按照GB50202-2018《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[6],達(dá)到二級(jí)邊坡要求。

        (3)開(kāi)挖完成后,樁頂?shù)乃轿灰茷?6 mm,豎向位移為22 mm。水平位移超過(guò)40 mm,豎向位移小于30 mm,水平位移不符合規(guī)范,需增加斜撐支護(hù),坡面出現(xiàn)受拉區(qū),坡面需加固處理。

        (4)開(kāi)挖完成后,荷載區(qū)最大沉降量為35 mm,基坑底部最大隆起量為106 mm,荷載區(qū)沉降量小于60 mm,基坑底部最大隆起量超過(guò)60 mm,基坑隆起量不符合規(guī)范,坑底土體需加固處理。

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