考虑地层非均匀性分布的基坑结构内力及位移分析

2014-04-25王军平

建筑设计管理 2014年4期

关键词：排桩均匀分布内衬

王军平

(甘肃省天水市建设工程安全质量监督管理处，甘肃天水 741000)

考虑地层非均匀性分布的基坑结构内力及位移分析

王军平

(甘肃省天水市建设工程安全质量监督管理处，甘肃天水 741000)

以深圳市某基坑开挖为实例，采用数值计算方法，在考虑软土地层不均匀性的基础上，建立了考虑地层非均匀分布的有限差分地质模型。对基坑支护结构进行了计算，计算中监测了桩体的水平位移，并和未考虑地层不均匀性的支护结构的计算结果进行了对比分析，结果发现两种计算方法在模型的整体水平位移上有4.1%的差异，排桩的水平位移有28%的差异，弯矩分布上有8%的差异。因而考虑地层非均匀性分布的计算方法可以使计算结果更加准确，有利于设计上保证基坑的安全性。

基坑工程；非均匀性；结构内力；软土地层

0 引言

目前在城市建设中，大量采用了开挖基坑的方式来修建建筑物的基础，且大部分基坑都位于软土地层中。基坑支护体系的结构内力都来自于土体对支护结构的作用力，以往的基坑支护结构内力计算都是按照靠近基坑侧的土体竖向分布规律来计算软土对支护结构的作用力[1-2]。由于软土地层的性质多样性以及空间分布的非均匀性，其对支护体系的作用力也存在空间上的多样性，此作用力也就不能只是简单地按照均匀地层的计算方法来计算。所以有必要通过建立考虑地层非均匀分布的地质模型的方法，从支护体系内力分布规律的角度来研究软土地层对支护体系的作用力。

对于基坑支护体系的结构内力计算，许多学者都做了大量的研究工作，如阮文军[3]，通过对阳逻长江公路大桥南锚旋特大圆形深基坑围护结构的内力计算，发现结构内力存在以下规律：1)内衬的弯矩在基坑开挖和内衬浇筑过程中出现周期性波动，内衬弯矩曲线出现周期性峰值。轴力多为压力，拉力很少且数值很小。2)地连墙的弯矩变化规律与内衬迥然不同。随着内衬施工的进行，各深度处的弯矩和轴力变化曲线依次呈现“先大幅波动、后平稳变化”的趋势。轴力多为压力，且后期压力比初期大。3)内衬浇筑和基坑开挖施工是导致开挖面地墙弯矩大幅波动的直接原因。其中，内衬混凝土水化放热产生一个正弯矩作用，使得上方各道内衬的内侧钢筋受压，而基坑开挖则使得其作用逐渐弱化。4)温度升高在内衬中产生一个正弯矩作用，而温度降低使内衬中产生一个负弯矩作用。何敏[4]通过对贵阳某深基坑的施工全过程数值模拟，找出了基坑支护体系的薄弱部位在距地面2～6 m的范围内，土钉的受力规律为基坑中部土钉受力较大，两端较小。马志创[5]通过对不对称超载作用下的基坑支护体系的位移计算，总结出超载较大侧的桩体位移比按对称设计的桩体位移大，而超载较小的一侧桩体位移比按对称设计的小。周伟斌等[6]通过对不均匀开挖圆形基坑的支护结构内力以及位移分析，总结出不均匀开挖会对按照均匀设计的支护结构产生较大的不利影响。

以上研究部分对基坑支护结构的内力进行了计算，并研究了基坑设计施工中的不均匀性问题，但是都尚未涉及软土地层本身的不均匀性。为更进一步研究软土地层中的支护结构受力情况，需要将软土地层的地层物理参数多样性，以及地层空间分布多样性加以考虑。本文以广州某基坑工程为例，通过建立考虑地质非均匀性的地质模型，对结构内力进行了计算，并和未考虑地质非均匀性的计算结果进行了对比分析，进一步研究了基坑支护体系的内力分布规律。

1 工程概况

本基坑项目位于深圳市，该工程区域地质情况总体较为复杂。基坑开挖的深度为15 m，长宽分别为60 m和40 m。通过地质勘察发现本区域地表至地下共有13个不同的地层，以软土和黏土为主，岩体的力学参数较弱。岩土体的主要分布情况如表1。

表1 地层特性表

2 数值模拟

本次计算采用大型通用有限差分计算软件——Flac3D进行计算。根据设计文件，基坑采用桩板墙+锚索组成的支护体系进行支护。其中桩体采用长30 m，直径为1 m的灌注桩，土钉长30 m，在每次开挖到一定深度后添加土钉，并将土钉和桩体连接。墙体采用厚30 cm的钢筋混凝土。每次开挖到一定深度后立即浇筑墙体，并将墙体和桩连接。根据工程实践经验，基坑开挖的影响范围为3～5倍开挖深度，本基坑开挖深度为15 m，故数值模型的边界取为90 m，高度取为40 m，有限差分计算模型如图1所示。

图1 计算网格模型

计算模型包含了13个不同的参数的底层模型，其中底部未开挖部分底层从下至上分别为base1、base2、base3、base4、base5、base6和base7，开挖部分底层被分为了两个部分，左侧为开挖区，包括了excavate1、excavate2、excavate3、excavate4、excavate5、excavate6，右侧未开挖区为 right1、right2、right3、right4、right5、right6。在计算中通过Flac3D的分组命名功能对不同的组按照表1中的参数赋予不同的材料参数，并且也采用了常规的参数均一化方法，将所有的组赋予同样参数进行了计算，得到了两种略有差异的计算结果。

本次计算支护体系包括由桩单元、壳单元以及锚索单元组成，分别模拟设计文件中的抗滑桩、桩间墙和锚索。其计算参数按照设计文件取值。为消除边界效应影响，厚度取为5 m，在厚度方向共划分4组单元，计算中对最中间的抗滑桩的水平位移和竖向位移进行了监测。

3 计算结果分析

3.1 土体水平位移分析

为了分析考虑地层非均匀性分布对基坑支护体系结构的影响，尤其是对抗滑桩的内力和位移影响，在计算中设计了两种计算模式。第一种为按照地层等效原则对所有地层进行参数的均一化处理方式，并进行了数值计算，第二种为对不同的地层按照实际情况赋予不同的地质参数，然后进行计算。两种计算模式均求解至统一平衡。第一种和第二种计算方式的模型整体水平位移见图2、3。

图2 未考虑地层非均匀分布的整体水平位移等值图

图3 考虑地层非均匀分布的整体水平位移等值图

由以上水平位移等值图可以看出，在未考虑和考虑了地层非均匀分布的情况下，水平位移的最大值都出现在模型开挖边界底部，这是因为在左侧开挖土体后，整个土体在开挖面以下一定深度范围内有从右向左移动的趋势。模型整体都出现了水平向左的位移，也表明开挖卸荷之后，岩土体在重力作用下整体向基坑移动。两种计算方法的水平位移最大值存在4.1%的差异，这是因为在实际地质情况中，埋深较大的岩土体力学性质较好，整体表现为刚性较大，所以按照实际情况对不同的岩土层赋予不同的计算参数能更加准确地模拟出基坑开挖过程中的岩土体位移情况。

3.2 土体竖向位移分析

同样对于模型的整体竖向位移而言，考虑地层非均匀性分布的计算结果和未考虑地层非均匀分布的计算结果也存在较大差异。表现为采用整体均一地质参数进行计算时，远离基坑侧的岩土较大体竖向位移位于模型右侧区域，几乎整个右侧区域的竖向位移都较为一致，而考虑地层非均匀分布的竖向位移较大值出现在右侧上部区域，因为该区域的力学参数要弱于平均值，故出现了较大的竖向位移。对于基坑内部土体而言，两种情况的坑底隆起高度较为一致，均在12 cm左右，但也存在3%的差距，说明采用非均匀分布地层参数的计算方法与采用平均地质参数的计算方法对求解基坑开挖过程有一定的影响(见图4、5)。

3.3 抗滑桩位移和受力分析

为研究桩的受力和水平位移情况，计算中对抗滑桩的位移和弯矩进行了监测。按照设计文件，桩长30 m，计算中将桩划分为30个单元，对排桩10个节点位移和弯矩进行了监测，其中考虑地层非均匀性分布和未考虑地层非均匀性分布的桩节点位移和弯矩如图6。

图4 未考虑地层非均匀分布的整体竖向位移等值图

图5 考虑地层非均匀分布的整体竖向位移等值图

由图6可以看出，在本基坑工程算例中，考虑地层非均匀性分布的排桩各节点位移在排桩的顶部和底部存在较大差异。考虑地层非均匀分布的排桩桩顶和桩底位移分别为24 mm和21 mm，未考虑地层非均匀性分布的排桩桩顶和桩底位移分别为19 mm和27 mm，桩顶的位移差异达到了26%，桩底的位移差异达到了28%。这是因为在此基坑工程中，底部岩土体的力学性能较顶部岩土体要好，考虑地层非均匀性分布的情况下，桩顶由于土体性质较差，会出现较大的变形，排桩也随之出现位移协调，而桩底的地层性质较好，本身的蠕变特性相对较弱，水平位移也相对较小，所以排桩底部的位移也相对较小。对于弯矩分布情况，考虑地层非均匀性分布情况下，顶部岩体由于会出现较大的蠕变，所以排桩受到的水平作用力较大，而出现较大的弯矩，顶部最大弯矩有8%的差异。