崔飛飛,王振峰

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安710300)

基坑工程的邊界條件及周圍環(huán)境越來越復(fù)雜,要求也越來越高,單純的定性分析已經(jīng)無法滿足工程要求,尤其是在軟土埋藏較淺地段開挖基坑時(shí),會(huì)極大增加土體的蠕變、失穩(wěn)、不均勻變形等可能性,對基坑本身及場地周圍已有的建構(gòu)筑物安全造成不利影響[1],因此需在實(shí)際工程中進(jìn)行基坑開挖全程模擬,使力學(xué)分析由傳統(tǒng)的定性分析、半定量分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治?找出不同參數(shù)變化對目標(biāo)結(jié)果的影響[2]。

有限元分析具有動(dòng)態(tài)且三維的模擬特點(diǎn),可進(jìn)行基坑開挖全程模擬,通過建立實(shí)際的工程模型,利用邊界條件、施工條件、力學(xué)參數(shù)的簡化,能夠準(zhǔn)確得出支護(hù)結(jié)構(gòu)不同參數(shù)變化時(shí)的基坑整體變形情況[3]?；涌箖A覆、抗隆起、周邊沉降是影響安全性與結(jié)構(gòu)性的重要評價(jià)指標(biāo)[4],以某市政工程箱涵開挖為例,采用邁達(dá)斯有限元分析,研究多級放坡+鋼板樁+鋼支撐方案下結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對基坑整體變形的影響。參數(shù)變化如表1所示。

表1 多級放坡+鋼板樁與鋼板樁+鋼支撐試驗(yàn)參數(shù)

1 有限元模型的建立

1.1 多級放坡開挖方式

多級放坡方案混凝土墊層厚度20 cm,采用C15混凝土,材料特性根據(jù)設(shè)計(jì)材料及現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)選取,開挖模擬步驟使用地應(yīng)力分析生成初始應(yīng)力場,開挖至基坑-5 m深,再開挖到-10 m深。

1.2 鋼板樁+鋼支撐開挖方式

鋼板樁采用FSP-Ⅳ型鋼板樁,型號為400×170,長度為18 m,鋼支撐采D609×16規(guī)格,鋼支撐間距為3.5 m。開挖模擬步驟使用地應(yīng)力分析生成初始應(yīng)力場,開挖至基坑-5 m深,激活拉森鋼板樁,再開挖至-10 m深。

1.3 基坑模型的建立

基坑最大開挖深度為10 m,模型Z方向取30 m,x、y方向根據(jù)實(shí)際工程情況取值,x方向取137 m,y方向取105 m,即模型尺寸為137 m×105 m×30 m。為了簡化模型的建立,原土層自上而下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土夾粉質(zhì)黏土。建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型的建立

2 有限元模擬結(jié)果

2.1 不同方案下的深層水平位移

圖2、圖3給出了兩種方案下參數(shù)變化的深層水平位移曲線。通過圖2可以看出,改變基坑持力層參數(shù)及基坑寬度與深度,地表以下18 m的深層土體水平位移變化規(guī)律一致,均隨著深度的變化而逐步增大。基坑深度為5 m時(shí),其水平位移在-6 m以上位置最大,但在-6 m深度以下,基坑的水平位移變化急劇減小,且小于其他參數(shù)的變化,說明改變基坑深度對基坑水平位移的影響相較于寬度與地質(zhì)的改變影響大。對比B=30 m、10 m、3 m時(shí),水平位移均在-6 m位置處有個(gè)拐點(diǎn),通過對比同一深度下的水平位移發(fā)現(xiàn),改變基坑寬度后,在-6 m以上位置深層水平位移會(huì)有較大的改變,在-6 m以下改變寬度對水平位移的影響漸小。而改變地質(zhì)參數(shù)對于基坑深層水平位移在不同深度下的影響不會(huì)發(fā)生太大的變化。

圖2 多級放坡下的基坑深層水平曲線

圖3 鋼板樁+鋼支撐下的基坑深層水平曲線

通過圖3可以看出,鋼板樁支護(hù)不同方案下的深層水平位移曲線同樣在-6～-8 m存在拐點(diǎn),水平位移在拐點(diǎn)處最大。對比C=19 kpa改變地質(zhì)參數(shù)的情況看出,鋼板樁支護(hù)對水平位移有著明顯的影響,水平位移大小要遠(yuǎn)小于原方案C=12 kpa的情況。對比基坑寬度B=30 m、10 m、3 m時(shí)看出,當(dāng)減小基坑寬度后,在拐點(diǎn)以上位置處對水平位移影響不明顯,在拐點(diǎn)位置以下,位置寬度的減小能夠明顯減小水平位移大小,且寬度越小深層水平位移越小,說明寬度的改變對基坑深層位置處的影響較大,對地表位置處的影響較小。改變基坑深度,通過對比B=30 m及L=5 m的方案可以看出,基坑深度的減小能夠明顯減小不同深度下的基坑水平位移,與放坡開挖得出的規(guī)律一致。

2.2 不同方案下的應(yīng)力

對模型的應(yīng)力對比選取了縱向20 m的變化區(qū)間進(jìn)行分析,通過有限元模擬兩種方案下的應(yīng)力變形情況。圖4給出了不同方案下的C=12 kpa、φ=6°、B=30 m、L=5 m的應(yīng)力變形云圖,其他云圖變化與圖4一致。通過對比發(fā)現(xiàn),放坡開挖方案中,當(dāng)基坑上部荷載與寬度、深度一致時(shí),改變基坑底部持力層土層參數(shù)對基坑周邊地表沉降及坑底隆起位移大小影響不大,這是因?yàn)楫?dāng)基坑底部持力層承載力均滿足上部結(jié)構(gòu)時(shí),由于其受力面積一致,周邊位移僅受到上部荷載的作用,與改變下部結(jié)構(gòu)無關(guān)。當(dāng)持力層參數(shù)與基坑深度一定時(shí),基坑底部隆起位移及周邊位移在一定范圍內(nèi)均隨著基坑底部寬度的減小而增大,其在基坑縱向的影響變化不會(huì)隨寬度的改變而改變。改變基坑深度,對周邊位移影響較小,隨著深度的加大,坑底位移會(huì)變大。

圖4 不同方案下的應(yīng)力變形云圖

對于拉森鋼板樁來說,通過改變支護(hù)方案對周邊底部及基坑隆起位移影響較大。改變基坑底部持力層土層參數(shù)對基坑周邊地表沉降及坑底隆起位移大小影響不大。改變基坑寬度,對周邊位移影響較小,隨著寬度的減小,基坑底部隆起逐步減小,當(dāng)寬度為3 m時(shí),可以看出,底部位移基本不會(huì)發(fā)生太大改變。降低基坑開挖深度能夠明顯減小基坑的隆起現(xiàn)象,當(dāng)深度為10 m時(shí),基坑30 m寬范圍內(nèi)基本都會(huì)發(fā)生不同程度的變形,當(dāng)深度為5 m時(shí),基坑隆起現(xiàn)象基本發(fā)生在基坑中心附近,說明開挖條件允許情況下,適度減小基坑深度能夠有效避免基坑的鼓包現(xiàn)象。

2.3 支護(hù)參數(shù)改變對基坑穩(wěn)定影響的敏感性對比

敏感性分析是分析系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種方法,參數(shù)敏感性分析方法包括單因素分析法與多因素分析法。單因素敏感性分析方法的原理是選定一個(gè)目標(biāo)函數(shù),使其中一個(gè)因數(shù)改變,假設(shè)其他因素恒定不變,對同一個(gè)目標(biāo)值進(jìn)行比較,通過比較因素變化時(shí)目標(biāo)值的變化幅度,得到各個(gè)參數(shù)的敏感性大小。這種方法雖然直觀且計(jì)算過程簡單,但是假定其他因素在其中一個(gè)因素變化時(shí)是恒定的,這與實(shí)際工程不符[5]。為了減少實(shí)驗(yàn)次數(shù),采取單因素分析法進(jìn)行多參數(shù)敏感性分析,建立實(shí)驗(yàn)表方法挑選試驗(yàn)條件,通過較少的試驗(yàn)次數(shù)迅速找到最優(yōu)方案,這是一種處理多因素優(yōu)化參數(shù)敏感性分析的有效方法。

通過放坡開挖與拉森鋼板樁云圖的周邊地表及基坑底部隆起對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)刭|(zhì)參數(shù)變化時(shí),地質(zhì)參數(shù)同為C=19 kpa、φ=10°、B=30 m、L=10 m時(shí),拉伸鋼板樁方案的地表隆起范圍及大小均小于放坡開挖方案,但是由于鋼板樁支護(hù)的開挖面積較小,故而對周邊土體位移影響較大。

改變基坑寬度B=30 m、10 m、3 m時(shí),不同寬度下鋼板樁方案基坑底部隆起影響均優(yōu)于放坡開挖,但由于鋼板樁支撐相對于放坡開挖的施工難度較大,設(shè)計(jì)時(shí)需考慮周邊環(huán)境及受力大小。

改變基坑深度,在一定寬度范圍內(nèi)兩者對周邊位移的影響相差不大,但鋼支撐方案同樣能夠大幅度減小基坑底部的隆起現(xiàn)象。

3 結(jié)論

探討了在指定地質(zhì)條件下采用多級放坡+鋼板樁與鋼板樁+鋼支撐兩種支護(hù)方案的效果,并分別進(jìn)行單種施工工藝的5種有限元仿真實(shí)驗(yàn),對結(jié)果進(jìn)行比對,展開敏感性分析實(shí)驗(yàn),在有限元軟件中分階段對基坑底部隆起及深層水平位移曲線規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明,從對周邊地表沉降的影響來看,方案一對于周邊環(huán)境影響小于方案二,但最終沉降大于方案二。從對基坑底部隆起的影響來看,方案一基坑底部土體豎向位移的變化程度小于方案二,而豎向位移的最大值大于方案二。兩種方案在基坑底部邊緣的豎向位移相對嚴(yán)重,施加混凝土墊層對減弱基坑底部隆起有積極作用。從施工挖土方量來看,方案二明顯大于方案一。針對5種實(shí)驗(yàn)方案對影響基坑的3個(gè)因素的不同水平進(jìn)行敏感性分析,依次為溝槽深度L>溝槽寬度B=30>土力學(xué)參數(shù)C、φ,說明溝槽深度L為相對主要因素,寬度為相對次要因素,黏聚力/內(nèi)摩擦角影響較小。