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        含管道基坑開挖的數(shù)值模擬研究

        2022-12-23 13:10:02孔繁慧
        河南水利與南水北調(diào) 2022年11期
        關(guān)鍵詞:極限值軸力巖土

        孔繁慧

        (陜西恒業(yè)建設(shè)集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710000)

        1 工程概況

        如圖1 所示,基坑的寬×深為30 m×20 m,選擇研究區(qū)域?qū)挕辽顬?00 m×100 m,研究區(qū)域?qū)捄蜕罘謩e約為基坑的7倍和5 倍,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)可知,基坑開挖對(duì)此區(qū)域的受力和位移影響顯著,所以選擇此區(qū)域。

        圖1 研究區(qū)平面圖 單位:m

        2 數(shù)值模擬

        2.1 模型的建立

        選擇MIDAS GTS 對(duì)基坑開挖進(jìn)行模擬,粉質(zhì)粘土、粉砂、雜填土和粘土選擇莫爾庫(kù)侖模型,基坑支護(hù)措施中格構(gòu)柱選擇1D梁?jiǎn)卧?,截面積為0.018 m2,扭轉(zhuǎn)常量Ix為9.24×10-7m4,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)為0.018 m,截面慣性矩(Iy和Iz)為7.8×10-4m4;地連墻選擇1D 梁?jiǎn)卧?,截面積為0.16 m2,扭轉(zhuǎn)常量Ix 為1.79×10-3m4,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)為0.20 m,截面慣性矩(Iy 和Iz)為8.5×10-3m4;立柱樁選擇1D 梁?jiǎn)卧?,截面積為0.50 m2,扭轉(zhuǎn)常量Ix為0.04 m4,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)為0.40 m,截面慣性矩(Iy 和Iz)為2.1×10-2m4;管道選擇1D桁架單元,截面積為0.16 m2,扭轉(zhuǎn)常量Ix為1.79×10-3m4,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力系數(shù)為0.20 m。

        粉質(zhì)粘土、粉砂、雜填土和粘土統(tǒng)一按1 m 進(jìn)行混合四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,以此保證節(jié)點(diǎn)傳遞力的均勻性,也可保證節(jié)點(diǎn)之間相互耦合。研究區(qū)域?qū)捄蜕罘謩e約為基坑的7 倍和5倍,經(jīng)過數(shù)值模擬試算可知,若分別增加基坑的寬度或深度,基坑周圍巖土體的受力和位移幾乎沒有變化,因此可認(rèn)為研究區(qū)域的邊界取值是合理的,數(shù)值模擬計(jì)算基坑平衡時(shí)停止。

        數(shù)值模擬先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算,再對(duì)管道進(jìn)行析取賦值,繼而是圍護(hù)墻的施加,最后分別對(duì)基坑分五次進(jìn)行開挖,開挖深度分別為2、6、4、4、4 m,開挖深度的確定與周圍巖土體的性質(zhì)密切相關(guān),每層開挖結(jié)束后立即對(duì)開挖區(qū)域進(jìn)行地連墻、立柱樁的施加。

        2.2 模擬的結(jié)果

        2.2.1 位移基坑開挖后,周圍巖土體的位移如圖2所示。

        圖2 基坑開挖后圍巖位移云圖

        如圖2(a)所示,水平位移最大數(shù)值為6.60 mm,主要集中于基坑開挖右邊地面區(qū)域,此區(qū)域所占巖土體約2%,88%巖土體水平位移幾乎為0,說明基坑開挖對(duì)周圍巖土體的水平位移影響較小。利用線上圖工具解析右邊地面最大位移為5.90 mm,越靠近右邊邊界區(qū)域,水平位移越小,此規(guī)律與實(shí)際一致,說明數(shù)值模擬的有效性。

        如圖2(b)所示,豎向位移最大數(shù)值為8.90 mm,主要集中于基坑開挖右邊地面區(qū)域,此區(qū)域所占巖土體約4%,83%巖土體水平位移幾乎為0,說明基坑開挖對(duì)周圍巖土體的豎向位移影響也較小。利用線上圖工具解析右邊地面最大位移為3.50 mm,越靠近右邊邊界區(qū)域,豎向位移越小,此規(guī)律與實(shí)際一致,說明數(shù)值模擬的有效性?;拥撞繋r土體發(fā)生部分隆起(向上的豎向位移),隆起區(qū)域主要集中于基坑兩個(gè)角落,原因是開挖導(dǎo)致基坑邊角處出現(xiàn)應(yīng)力集中。

        由圖2可知,基坑開挖后巖土體的水平位移和豎向位移均不超過10 mm,此位移值控制在合理的范圍內(nèi),不會(huì)對(duì)基坑工程及周圍巖土體造成不良的影響。

        2.2.2 管道受力

        管道所受的軸力如圖3所示。

        圖3 管道所受的軸力圖 單位:kN

        如圖3所示,管道所受的軸力最大為750 kN,此區(qū)域所占管道約8%,此數(shù)值依然達(dá)不到管道所受軸力的極限值1 200 kN,因此可認(rèn)為管道的受力在可控的范圍內(nèi),基坑開挖不會(huì)對(duì)管道造成不良的影響。管道所受的軸力較為均勻,沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象,一定程度上可以說明基坑開挖是成功的。

        2.2.3 支護(hù)措施受力

        基坑支護(hù)受力見圖4和圖5。

        圖4 支護(hù)措施所受軸力圖 單位:kN

        圖5 支護(hù)措施所受彎矩圖 kN·m

        由圖4 可知,隨著地層深度的增加,支護(hù)措施所受的軸力越大,立柱樁所受的軸力最大值為790 kN,隨著深度的減小,土樁樁所受的軸力也減小,因?yàn)槠淞σ驯桓駱?gòu)柱分擔(dān);接觸界面所受的軸力最大值為1 400 kN,同樣主要集中于深度土層中;支撐所受的軸力呈現(xiàn)隨著深度增加,所受軸力逐漸增大的趨勢(shì),即第四道支撐所受的軸力值最大,最大值為2 900 kN;由圖4可知,土層深度越大,支護(hù)措施所受的軸力越大,結(jié)合此受力值可將深層支護(hù)措施加強(qiáng),同時(shí)減弱表層支護(hù)措施,以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。

        第四道支護(hù)結(jié)構(gòu)中,第四道支撐所受最大彎矩值為1 800 kN·m,主要集中于支撐的邊角處,因?yàn)榇颂幰装l(fā)生應(yīng)力集中,進(jìn)而導(dǎo)致彎矩值增大,結(jié)合支撐結(jié)構(gòu)的彎矩極限值22萬kN.m,可知支撐所受的最大彎矩值遠(yuǎn)小于支撐的極限彎矩,可認(rèn)為支撐是在正常的工作狀態(tài),不會(huì)發(fā)生彎矩破壞。

        3 總結(jié)

        結(jié)合一實(shí)際基坑開挖工程,對(duì)開挖后基坑、周圍巖土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)和管道的受力和位移進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:①基坑開挖后周圍巖土體最大的水平位移和豎向位移分別是6.60 mm和8.90 mm,此數(shù)值均不超過10 mm,說明基坑開挖不會(huì)對(duì)周圍巖土體造成不良的位移影響;巖土體豎向位移大于水平位移,后期監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在于豎向位移;位移主要發(fā)生于坑底和右邊地表處,以上兩個(gè)區(qū)域是不良位移防治的重點(diǎn)。②管道所受軸力最大為750 kN,此值小于管道所受軸力的極限值,同時(shí)管道的受力較為均勻,沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象,說明管道的受力是合理的,不會(huì)對(duì)基坑開挖工程造成隱患。③支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的軸力和彎矩均隨著深度的增加,受力逐漸增大,但是受力均控制在合理的范圍內(nèi),均遠(yuǎn)小于材料的極限值,說明支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料是滿足工程要求的,同時(shí)可適當(dāng)加強(qiáng)深層土體的支護(hù),另外減小表層土體的支護(hù),保證基坑安全開挖的同時(shí),達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)的目的。

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