深基坑开挖与支护的数值分析

于慎谦

(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009)

深基坑开挖与支护的数值分析

于慎谦

(合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009)

以合肥水厂泵房深基坑工程为例,利用FLAC-3D数值分析软件对深基坑开挖与支护过程进行数值模拟,计算中采用摩尔-库伦弹塑性模型,通过计算得到基坑边坡位移变化,将实测基坑边坡水平位移与计算值进行对比分析,并对其进行初步的探讨,为以后的深基坑工程设计与施工提供有益的参考.

深基坑;FLAC-3D;数值分析;水平位移

0 引 言

随着经济的发展和地下空间的开发利用,我国的深基坑工程日益增多,这使得我国基坑工程在设计、施工、监测等方面获得了较快的发展也取得了一定的成就,但由于基坑工程是实践性很强的岩土工程课题使得对基坑的稳定性,支护结构的内力和变形以及周围地层的位移很难给出定量的结果.本文使用FLAC-3D数值模拟软件对合肥水厂泵房深基坑开挖与支护进行数值模拟,将实测基坑边坡位移与计算值进行对比分析,为以后的深基坑设计和施工提供有益参考[1,2].

1 工程概况

1.1 工程地质及规模

工程场地位于蒙城北路与合瓦路交叉口西南角,大房郢水库之畔,场地原为苗木林、水稻田,地形呈西部低,东部高.地貌单元属江淮丘陵,微地貌形态为岗地、斜坡地、坳沟及水塘,该场地地下水类型主要为上层滞水,勘探期间,测得钻孔内初见水位12.50～14.50 m.为了方便作业在开挖前用机械将场地整平.基坑为矩形长约57.7 m宽约30.2 m,基坑深度由两部分组成:东部深 10.75 m,西部深13.75 m

1.2 支护方案

基坑围护结构采用旋挖钻孔灌注桩:桩径Ф 1000@1200,采用 C30混凝土灌注,桩顶用高为0.8 m的冠梁(C30)连接.基坑西部设置三排锚杆(基底标高为15 m)锚杆长度分别为18 m、16 m、12 m,锚杆倾角为15°,基坑东部设置两排锚杆(基底标高为18 m)锚杆长度分别为18 m、16 m,锚杆倾角为15°,每排锚杆通过腰梁与灌注桩连成一体.

2 数值模拟

2.1 土体模型及参数

土是一种极为复杂的复合体,具有复杂的力学行为.在外力的作用下,土体不仅产生弹性变形还会产生不可恢复的塑性变形.本文运用Mohr-Coulomb弹塑性模型进行计算[3].

Mohr-Coulomb屈服准则为

式中:σt为抗拉强度.

在屈服之后,土体的特性将是部分弹性和塑性的,在任一应力增量过程中,其应变有弹性分量和塑性分量两部分组成,因此有:

弹性应变分量比较容易求得,而为了导出塑性应变分量和应力增量之间的关系,必须对材料特性进一步假定,特别是要假定塑性应变分量与塑性函数Q有如下关系:

势函数gt对应于拉应力破坏的相关联流动法则,其表达式为

表1 土体物理力学参数

在FLAC-3D中于体积模量K和剪切模量G比弹性模量E和泊松比u包含更多的材料基本特性,因此需要将弹性参数转换为K和G,转换关系如下[4]:

2.2 计算模型

由于基坑为矩形,根据工程经验,为了计算方便在不影响模拟结果的前提下将模拟区域取为80 m×30 m×42 m,模拟部分的支护结构剖面图见图1,本模型主要是为了考察基坑边坡的位移变化情况,为了提高关键部位的计算精确度,同时也是为了减少总的单元数量,提高计算效率,对模型单元采用不等划分,对开挖土体的周围进行加细划分,其他则按一定比例放大划分.锚索用Cable单元模拟,钻孔灌注桩用Pile单元模拟.由于基坑开挖前采取了有效的降水措施,故本次模拟不考虑地下水的影响.模拟过程按实际开挖工况进行,分为4个工况,第一个工况开挖至第一排锚杆下约75 cm处,第二个工况开完至第二排锚杆下约75 cm,第三个工况开挖至第三排锚杆下约75 cm,第四个工况开挖至基坑底部,这样有利于进行锚杆的施工,模型通过删减土体单元和增加结构单元来模拟开挖和支护.

3 计算结果及分析

(1)图2给出了x轴向的水平位移变化趋势,由计算结果可知基坑的最大水平位移为1.33 cm,而基坑顶部的最大水平位移为1.20 cm,基坑的最大水平位移并不是出现在坡顶而是出现在基坑的中上部,从图2中还可以看出在同一铅垂线上顶部最大水平位移和铅垂方向上最大水平位移相差并不大.笔者认为出现这种情况的原因主要在于进行基坑支护时采用了不同长度的锚杆,在上部采用较长的锚杆能更充分地发挥其抗拉性从而有效地抑制了上部土体的变形.在下部采用锚杆的长度仅为12 m比上部锚杆短了6 m,从实测和模拟结果看此种设计既满足了基坑边坡的稳定要求又有效地节约了支护成本.

(2)图3给出了沿基坑边 x方向水平位移的变化趋势,可以看出在基坑长边的中部变形最大,向基坑两侧逐渐减小,在基坑的拐角处变形最小,这一现象与许多失稳基坑的实例相符即失稳多在基坑的长边中部发生和发展,这说明基坑支护具有明显的空间效应.

图3 基坑边坡位移横向变化

(3)从图4中可以看出实测最大水平位移为1.3 cm在10号观测点,但此点并不位于基坑长边坡的中点,造成位移过大的主要原因在于开挖时超挖,去除10号点后在实际测量中最大水平位移为1.1 m比计算值略小.图4中各点的位移变化大致呈阶梯状,在开挖完成到施工锚杆完成的时间段内位移变化最大,这一点与前人总结的工程经验(开挖后应及时支护)相吻合,及时支护可以有效地减少基坑变形,增加支护的稳定性.

图4 实测基坑水平位移变化曲线

(4)根据相关资料可知此基坑安全等级为二级,二级安全等级报警值为0.6%H[6]从实测值和模拟计算得到的结果看最大水平位移都小于围护系统的报警值,这也说明采用桩锚支护方案是安全可靠的.

4 结 论

(1)基坑开挖要考虑开挖过程的时空效应,基坑边坡在水平方向上的变形与最大值相差不大但并不是最大值,最大值出现在基坑顶部以下,在设计和施工中可以适当增加上部锚杆长度以及在横行向上适当增加中部锚杆的布置密度.

(2)计算结果表明FLAC-3D能够很好模拟基坑的开挖与支护,它自带的摩尔-库伦弹性模型能够很好地反映土的特性,所得结果与实测值吻合较好,其计算结果对设计和施工有一定的借鉴意义.

[1]龚晓南.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[2]赵锡宏,李 蓓 ,杨国祥.大型超深基坑工程实践与理论[M].人民交通出版社,2004.

[3]胡浩军,王元汉.深基坑开挖与支护模拟仿真分析[J].岩土力学 2007,28:670-671.

[4]陈育民,徐鼎平.FLAC/FLAC-3D基础与工程实例[M].中国水利水电出版社,2009.

[5]Itasca Software Comp.Theory and Background Constitutive M odel:Theory and Implementation[P].User Manual of FLAC-3D 2.0,2002.

[6]姜晨光.基坑工程理论与实践[M].化学工业出版社,2009.

Numerical Analysis of Foundation Excavation and Support

YU Shen-qian
(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Taking a pump room deep excavation in HeFei for example,the simulation of excavation and support is carried out by using the software FLAC-3D.The Mohr-Coulomb model is used in the simulation.This simulation offers the horizontal displacement of the pit.T he pit slope of the measured displacement is compared with the calculated value,which provides useful references for.The engineering design and construction of deep foundation pit.

foundation excavation;FLAC-3D;numerical analysis;horizontal displacement

TU470

A

1671-119X(2010)02-0068-03

2009-12-28

于慎谦(1980-),男,硕士,研究方向:基础结构和地下结构 .