賀建清,陳 謙,王 朦,梅松華
(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410014;2.湖南科技大學(xué),湖南 湘潭 411201;3.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司,湖南 長沙 410014)
工程建設(shè)中常涉及基坑工程,基坑開挖安全與否受多種外界因素的影響,在進行基坑支護設(shè)計時,不僅要考慮方案的合理性和施工的可行性,還要考慮其結(jié)構(gòu)的安全性和低成本性,因此,科學(xué)有效地預(yù)測和評價基坑在開挖過程中的力學(xué)變形特征對指導(dǎo)基坑的支護設(shè)計和安全施工具有十分重要的意義[1-2]。
隨著巖土力學(xué)理論和計算機軟硬件的發(fā)展,數(shù)值計算模擬成為預(yù)測和評價基坑開挖支護方案及效果的有效手段[3-7],但以往的研究主要針對土體基坑開挖變形規(guī)律展開,對巖體基坑開挖變形規(guī)律的研究還很少。本文利用ANSYS軟件建立某大橋錨碇基坑的三維地質(zhì)概化模型,導(dǎo)入FLAC3D中對錨碇基坑開挖全過程進行數(shù)值仿真,分析錨碇基坑開挖過程中的應(yīng)力變形規(guī)律,驗證工程設(shè)計條件與設(shè)計參數(shù),探討錨固措施的實施效果,為錨碇基坑支護設(shè)計方案論證提供科學(xué)依據(jù)。
某大橋錨碇區(qū)位于山脊頂部較平緩區(qū)域,北東側(cè)、南西側(cè)均為斜坡,地面分布高程233~238 m,地表多為基巖出露,局部覆蓋厚度1.1~2.5 m的粉質(zhì)黏土,部分屋基位置覆蓋厚度2.6~3.0 m的素填土,錨碇區(qū)基巖巖體較完整,為沙溪廟組粗砂巖、砂巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖。錨固部基坑開挖后,邊坡主要出現(xiàn)在西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)及南側(cè),邊坡高度8.7~42.9 m,主要為粗砂巖、砂巖、頁巖、砂質(zhì)泥巖組成的巖質(zhì)邊坡。
在錨碇基坑開挖過程中,基坑邊坡巖層的接觸面臨空,坡角增大到63.5°(見圖1),考慮到構(gòu)造裂隙、開挖坡面、巖層面的切割,基坑邊坡上可能會發(fā)生塊體穩(wěn)定問題;并可能因坡角增大發(fā)生沿巖層層面的滑動。基坑邊坡可能的變形破壞模式有:由于巖體節(jié)理、層面、各種裂隙切割形成的楔形體的滑移和局部塊體掉塊、崩塌、順層面滑動以及沿覆蓋層內(nèi)部發(fā)生局部沿弧形滑裂面的滑動,層面的抗剪強度是控制基坑邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。
圖1 錨碇基坑邊坡地質(zhì)剖面圖
三維建模比較復(fù)雜,需要進行工程地質(zhì)概化。鑒于錨碇區(qū)地層層面基本平行、走向一致,錨碇基坑三維計算模型參照地質(zhì)剖面圖,將地層分界面簡化為相互平行的平面??紤]到強風(fēng)化線埋深較淺,將強風(fēng)化層歸入覆蓋層,覆蓋層概化厚度為5 m。
以錨碇基坑底面中心為坐標(biāo)原點構(gòu)建計算模型坐標(biāo)系,X軸平行于橋軸線方向,以指向基坑所在岸方向為正;Y軸垂直于橋軸線方向,向北偏東向延伸為正向;Z軸為豎直方向,向上為正。
模型計算范圍:X軸方向和Y軸方向以錨碇基坑中心為原點,向周邊各延伸250 m,模型平面尺寸為500 m×500 m;Z軸方向從高程0 m至地表。
計算模型采用四面體、五面體和六面體混合網(wǎng)格單元進行離散,共劃分單元162 627個、節(jié)點30 000個,三維網(wǎng)格見圖2。計算模型底面固定,4個側(cè)面為法向位移約束,地表為自由面。
圖2 錨碇基坑地質(zhì)概化模型網(wǎng)格劃分圖
視錨碇區(qū)巖土體為彈塑性體,采用彈塑性本構(gòu)模型。屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則[8]。
錨碇基坑開挖應(yīng)力變形分析計算參數(shù)中覆蓋層參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗取值,由于強風(fēng)化線埋深較淺,將強風(fēng)化巖體并入覆蓋層,對于對邊坡穩(wěn)定起控制作用的中風(fēng)化巖體,采用改進的GSI方法[9-10]對其抗剪強度參數(shù)進行估計。結(jié)合大橋詳細勘察報告中對結(jié)構(gòu)面參數(shù)的取值,采用工程類比法及改進的GSI方法對該計算域巖土體計算參數(shù)綜合分析,確定錨碇基坑應(yīng)力變形分析計算參數(shù)取值如表1所示。
表1 錨碇基坑應(yīng)力變形分析計算參數(shù)取值
根據(jù)地勘報告附平面圖,平行橋梁軸線取3個結(jié)果提取剖面,分別為橋梁軸線的Q2剖面,向Y軸正、負各移動12.7 m的Q3和Q1剖面,垂直橋梁軸線方向分別取2-2和32-32剖面。
為了解錨碇基坑在開挖過程中的變形規(guī)律,在每個錨碇基坑坡面選取若干個位移監(jiān)測點,分別為基坑底部中點、基坑每一側(cè)邊坡每一級開挖平臺上的一點,因模型以垂直橋軸線、向北偏東向延伸為Y軸正向,監(jiān)測點以“中點”“北1”“東1”“南2”等方式命名,其中“北”指Y軸正向,數(shù)字代表第幾開挖步揭露的平臺,由于新田岸及高峰岸均為6步開挖,基坑底部即6層。錨碇基坑位移監(jiān)測點位置見圖3。
圖3 錨碇基坑位移監(jiān)測點示意圖
設(shè)計方案見圖4。采用噴10 cm厚C20混凝土以及2 m間距布置4 m長錨桿的方法對錨碇基坑進行坡面支護。
圖4 N2-N3方向基坑邊坡支護結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)設(shè)計方案,對基坑分6級開挖,具體分級見表2。
表2 錨碇基坑三維應(yīng)力變形分析施工步設(shè)置
基坑開挖后應(yīng)力分布情況見圖5,受篇幅限制,只列舉整個基坑最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的分布圖。基坑開挖后,應(yīng)力分布比較均勻,在轉(zhuǎn)角處覆蓋層與巖體接觸的部位局部分布有少量拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力為321 kPa,其余區(qū)域以壓應(yīng)力為主。
圖5 基坑開挖后應(yīng)力分布
基坑開挖后變形分布見圖6。圖7為各監(jiān)測點位移隨開挖變化曲線。為節(jié)省篇幅,只列舉基坑北部各監(jiān)測點在每個開挖步下各向位移?;痈鏖_挖步變形極值見表3。從圖7和表3可見,錨碇基坑開挖后,整體變形以向上為主,最大位移出現(xiàn)在底板,回彈最大值約10 mm,各監(jiān)測點Z向變形最大值比較接近,總的規(guī)律是:隨著監(jiān)測點深度增加,開挖后Z向變形變大。受地形、開挖形式和支護措施的影響,水平向變形分布較復(fù)雜,規(guī)律性不強,總的來看,錨碇基坑呈南北狹長形,X向(東西向)變形要大于Y向(南北向)。
圖6 基坑開挖后變形分布
圖7 基坑北部各監(jiān)測點位移隨開挖變化曲線
表3 基坑各開挖步變形極值
基坑各開挖步塑性區(qū)體積變化見圖8,圖9為基坑開挖后塑性區(qū)分布。
圖8 各開挖步塑性區(qū)體積變化示意圖
圖9 基坑開挖后塑性區(qū)分布
因為表層覆蓋層抗剪強度較低,基坑開挖后產(chǎn)生臨空面,在坑口周圍的覆蓋層內(nèi)分布有塑性區(qū),隨著基坑開挖,部分塑性區(qū)巖體被挖除,塑性區(qū)整體體積有所減少?;觾?nèi)部巖體整體情況良好,僅在未施加支護的坑底、平臺和馬道上分布有零星的塑性區(qū)。
基坑開挖后支護錨桿軸力及應(yīng)力分布見圖10~11,混凝土襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布見圖12。
圖10 支護錨桿軸力分布
圖11 支護錨桿應(yīng)力分布
圖12 混凝土襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布
基坑開挖后,錨桿受力以拉應(yīng)力為主,在4級平臺以上局部有受壓錨桿。錨桿最大拉力1.53 kN,最大拉應(yīng)力4 MPa,受力很小,混凝土襯砌結(jié)構(gòu)彎矩0.3 kN·m,整體受力情況良好。
根據(jù)地勘成果,結(jié)合相關(guān)規(guī)范,并利用工程類比法和經(jīng)驗方法初步確定錨碇區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù);根據(jù)錨碇的設(shè)計方案,采用三維有限差分方法分析了錨碇基坑開挖過程中的應(yīng)力變形規(guī)律。
1)基坑開挖期間,巖體應(yīng)力分布較規(guī)律,拉應(yīng)力區(qū)域范圍較小,量值不大,巖體受力情況良好。
2)基坑開挖過程中,巖體主要向臨空面變形,最大變形量為10 mm。
3)基坑開挖后因產(chǎn)生臨空面,在坑口周圍的覆蓋層內(nèi)分布有塑性區(qū),隨著基坑開挖,部分塑性區(qū)巖體被挖除,塑性區(qū)整體體積有所減少。
4)基坑邊坡巖體穩(wěn)定性良好,支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小,遠低于錨桿設(shè)計承載力。