基于ANSYS的深基坑变形数值模拟研究——以宜昌城区深基坑工程为背景

邱卫民 刘黎明

(三峡大学土木与建筑学院,湖北宜昌 443002)

基坑工程特性与场地特征密切相关,随着深基坑的广泛使用,其区域性和个性特点越来越突出,基坑围护结构的设计、施工以及变形监测等都要因地制宜,因此,强调基坑工程区域性和个性很重要.

宜昌作为湖北省域副中心城市和世界水电旅游名城,近几年来城市建设飞速发展,随之出现大量的深基坑工程.然而宜昌还没有相应的基坑工程地方性技术标准,基坑工程设计、施工和监测缺乏准确可靠的客观依据,土体物理力学指标和设计参数取值因人而异,相差悬殊,大都处于半经验半理论状态.因此,有必要对宜昌城区的深基坑工程进行深入的研究.

1 宜昌城区的工程地质概况

宜昌城区是长江出三峡后的第一块冲积平原,呈阶梯状分布,且地质、地貌和第四纪的堆积物独具一格.宜昌城区江段原来河床位置应该在现在城区所在地,后来,为适应新的过水断面,新暴发性的向右岸侵蚀冲刷,同时,河床下切,这些大幅度右岸侵蚀为宜昌城区江段河床开辟了新的通道.经过这样几次大的变迁,逐级向南转移下切,形成宜昌城区五级阶地雏形,造就了依山傍水的地貌特色及城区规划建设呈带状分布的工程地质基础[1].

宜昌城区建筑坐落在长江各级阶地之上,各级阶地岩、土层均是良好的地基土,依据岩土层顺序从上往下分别土层-卵石土-砂卵石层-胶结或半胶结砾石层-基岩.

2 宜昌城区的深基坑工程特点

宜昌城区的深基坑工程除了具有深基坑工程的一般特点外,还有以下特点:

(1)深基坑工程在城区的分布位置相对集中.依据《宜昌市城市总体规划(2005-2020年)概况》,宜昌中心城区为塑造山城交融、自然与人工交替的景观轮廓,规划建议靠近山脚地区的建筑以6层以下建筑为主,高层建筑向江滨聚集,因而宜昌城区的高层建筑深基坑多数分布在沿江一带,位置相对集中.

(2)深基坑工程的支护体系比较单一.虽然深基坑的支护形式很多,但是由于宜昌城区的深基坑绝大部分座落在T1～T2级阶地上,地基土性状单一,另外宜昌城区的深基坑工程规模不大,所以宜昌城区的深基坑支护体系也比较单一.目前,喷锚支护被广泛应用于宜昌城区的深基坑工程中,其次就是桩锚支护和自然放坡开挖.

(3)深基坑工程周边环境比较复杂.宜昌城区的深基坑一般在旧城区的改建或新建工程中,周边环境比较复杂.深基坑工程周围的建筑物密集,城市公共设施和管线拥挤,场地内施工作业空间狭窄、地面超载严重,深基坑支护工程施工难度较大.

(4)深基坑工程规模适中.根据实地调查和翻阅资料,宜昌城区没有超大超深基坑,现有的深基坑平面尺寸一般都不算大,深度一般在10m左右,没有超过20m的深基坑,所以宜昌城区的深基坑工程规模适中.

3 深基坑有限元计算模型

3.1 深基坑尺寸及边界条件

本文只分析深基坑的变形规律,不考虑地下因素(如管线、暗沟等)的影响,为了简化计算,直接建立规则的长方体深基坑模型进行模拟研究.

由文献[2]知,当基坑开挖宽度大于等于基坑开挖深度H,开挖面后的边界取在(2～3)H处,下边界在开挖底面以下0.5H处,再扩大计算范围对基坑变形没有显著的影响.因此,选取深基坑模型的计算范围为:取竖直方向(Z方向)分析的深度为3倍基坑开挖深度,取水平宽度为基坑宽度外各向两侧延伸4倍基坑开挖深度,从而构成了一个(8H+L)×(8H+ W)×3H的长方体求解区域(H为深基坑的设计开挖深度,L为深基坑的设计开挖长度,W为深基坑的设计开挖宽度).本论文选用的深基坑算例其H为10 m,L为100m,W为60 m,根据基坑的对称性,取其1/4进行计算,计算简图如图1所示,考虑了对称性质,不仅可以大大减少计算工作量,而且可“提高位移函数的初期逼近度,从而得到更为合理的计算结果”[3].

图1 深基坑1/4计算简图

根据本深基坑的计算模型和计算范围,确定深基坑计算模型下边界底面为完全约束;上边界顶面为完全自由;四周边界为水平方向约束,竖直方向自由;取1/4计算模型时,对称面上受对称约束,其余方向自由.如图1所示,在施加边界约束时,即ABCD面的X、Y、Z方向的位移均为0,ADEJ面和CDEF面的X、Y方向的位移为0,ABLJ面的Y方向的位移为0,BCFL面的X方向的位移为0.

由于宜昌城区的深基坑深度一般在10 m左右,基本位于地下水位以上,所以本文深基坑模型不考虑地下水的作用.

3.2 相关设计参数

宜昌城区主要的岩土构成从上往下依次是填土、粉质粘土、卵石土、砂卵石和砂岩,与本次深基坑模拟相关的岩土体的物理力学指标见表1.

表1 岩土体的物理力学指标

喷锚支护的锚杆采用 Φ 48的钢管,长5m,水平、竖直间距均为2m,与水平面约成26°倾角;表面挂网后喷10cm厚C20砼.桩锚支护的桩采用直径1 m的钢筋混凝土桩,长16m,桩间距为2 m;预应力锚索采用4束7Φ 5钢绞线,初始应变为5.0E-2.支护结构材料的相关力学指标见表2.

表2 支护结构材料的物理力学指标

3.3 土的本构模型及屈服准则

3.4 模拟单元的选用

本文建立的深基坑模型有3个:喷锚支护深基坑模型、桩锚支护深基坑模型和放坡无支护开挖深基坑模型.经过分析比较,在这3个深基坑模型中,土体全部采用 Soild45单元,喷锚支护模型中的锚杆采用Link8单元,表层混凝土采用Shell63单元,桩锚支护模型中的桩采用Beam4单元,锚索采用Link8单元.

3.5 计算模型图

本文建立了喷锚支护、桩锚支护和放坡无支护开挖3种情况下的深基坑模型,其计算模型图如图2～9所示.

4 模拟结果整理

为了便于说明,笔者选取了坑顶短边线(HI)、坑外短边中轴线(IJ)以及基底短边中轴线(KL)这3个具有代表性的部位,分别做出了3种开挖条件下在开挖至4m和开挖至8m时的坑壁侧移曲线图、坑外地表沉降曲线图和坑底隆起曲线图,如图10～15所示.

5 模拟结果分析

5.1 共性分析

3种开挖形式下的深基坑模拟结果均显示出以下规律:

(1)深基坑在分步开挖的过程中,其变形具有很强的空间性,其基本规律为:水平位移由坑角向中间逐渐增大,最大水平位移出现在两相邻坑角中部;坑壁向坑内的侧移随深度增加而减小,最大水平位移出现在坑顶;坑外土体水平位移、坑外地表沉降在坑周附近很大,离基坑越远越小,其影响范围大约在离基坑14m以内;坑底隆起在坑壁附近较小,坑底中央区域明显.

(2)深基坑在分步开挖的过程中,其变形具有很强的时间性,其基本规律为:变形(包括坑壁侧移、地表沉降和坑底隆起)随开挖过程的递进逐渐增大,开挖初期增大显著,后期增幅平缓而稳定.

(3)深基坑在开挖过程中局部出现塑性区,主要分布在基坑坑壁、坑角及坑脚等部位,塑性区域一般比较小,且有随开挖深度增加而增大的趋势.

5.2 比较分析

从图10～11可以看出,3种条件下的深基坑开挖,其坑顶侧移由坑角向中间均有增大,但增长幅度及增长区域各有差异.在外部条件相同的情况下,喷锚支护的深基坑其坑顶侧移明显小于桩锚支护和放坡无支护开挖的深基坑;在开挖前期,放坡无支护开挖的深基坑坑顶侧移略小于桩锚支护情况下的深基坑坑顶侧移,但随着开挖的进行,两者越来越接近.

从图12～13可以看出,3种条件下的深基坑开挖,其坑外地表沉降的最大值都是在基坑周边,且离坑周越远越小.三者在离坑周约2m内地表沉降量都有快速减小,在离坑周较近的区域内,桩锚支护情况下的深基坑坑外地表沉降明显小于另外两种情况下的深基坑坑外地表沉降.

从图14～15可以看出,和侧移一样,3种条件下的深基坑开挖,其坑底隆起由坑脚向基坑中央均有增大,但增长幅度及增长区域各有差异.在离坑壁较近的区域内,放坡无支护开挖情况下的深基坑坑底隆起值最大,喷锚支护次之,桩锚支护最小;在离坑壁约10m后三者的隆起值基本保持相同.另外,从图上可知,坑底隆起面积,放坡无支护最大,喷锚支护次之,最小的是桩锚支护.

6 结 语

通过对上述规律的比较分析,笔者建议宜昌城区深基坑开挖支护体系的选用宜遵循以下原则:①由于放坡无支护开挖具有经济、施工方便等特点,因此,在施工场地工程地质条件和水文地质条件良好,场地开阔并且周边环境优越的情况下应优先采用.②上述规律表明,桩锚支护下的深基坑坑底隆起和坑外地表沉降都比较小,并且变化平缓,因此,在施工场地狭窄,周边有大量建构筑物或城市道路的情况下,为保证周边建构筑物和城市道路不发生不均匀沉降,应优先采用桩锚支护体系.③在坑顶侧移有严格限制的情况下,应优先采用喷锚支护体系.④根据实际工程情况, 3种深基坑开挖支护体系可以结合使用.

[1] 金明信.宜昌市城区工程地质研究[J].中国煤田地质, 1994,6(3):56-64.

[2] 陈进杰,贾金青,张明聚.土钉支护工作性能参数分析[J].岩土工程学报,2001,23:618-622.

[3] 王 进.高层建筑深基坑开挖的三维弹性、弹塑性有限元分析[D].西安:西安建筑科技大学,2001.