某城市道路地下通道基坑分步开挖竖向位移数值模拟分析

2014-09-25陈康

湖南交通科技 2014年2期

陈康

(湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

0 引言

基坑开挖会引起坑外土体的沉降及基坑坑底土体隆起［1～3］。坑外土体的沉降将直接影响到基坑周围的建筑物的安全，沉降量过大直接影响基坑周围建筑物的安全，尤其在城市中心建筑物较密集的区域更应该控制沉降。坑底土体隆起是一个缓慢的过程，如果基坑分步开挖过程施工进度较快，隆起部分土体随即被挖除，此时的坑底隆起对施工的影响较小;当开挖速度较慢，土体隆起的发展时间较长，隆起值将相应增大，这时的坑底隆起现象可能对基坑结构造成危害。在这种情况下，需要采取相应的治理措施，保证基坑在开挖过程中的稳定性［4～6］。本文通过某市政工程基坑开挖实例，结合有限元软件对基坑的分步开挖过程进行数值模拟，并拟定开挖支护方案，进而得到基坑分步开挖过程中基坑土体的竖向变形规律。

1 数值模型和计算参数

1.1 几何模型及边界条件

该地下通道基坑工程基坑开挖长度48.00 m，开挖宽度36.50 m，开挖深度14.00 m，坑底标高为96.40 m。拟建场地南侧有一幢16层建筑，西侧为12层建筑，东、北两侧均为市政公路，据调查，拟建场地内没有地下管线或其它市政设施，基坑工程施工过程对变形要求比较高。根据钻探可知，与工程相关地层主要有人工填土、第四系冲积层、第四系残积层、第三系泥质粉砂岩地层。依埋藏顺序从上到下依次为素填土、粉质粘土①、粉质粘土②。根据勘察报告，主要赋场内地下水类型为上层滞水及潜水，上层滞水水量有限，潜水水量较大。水质分析表明，场地地下水对混凝土结构、混凝土中的钢筋、钢结构均无腐蚀性。基坑断面图如图1所示。拟定的几何模拟尺寸宽60.00 m，高30.00 m，由于路堤两侧对称，故选取半剖面作为研究对象。土层及网格划分见图2所示。在基坑剖面内，X轴为南北方向，Y轴为铅垂方向，模型底面的左下方为坐标原点。模型周边采用侧向约束，模型底部不允许有水平和垂直方向的位移，两侧边界不允许有水平方向的位移。

图1 基坑断面图

图2 网格划分

1.2 计算参数的确定

各计算参数采用试验、换算或软件自带参数综合确定。通过土工试验得到土体的密度，通过总应力固结不排水三轴抗剪试验得到土体的粘聚力c与摩擦角φ，通过压缩试验得到压缩模量Es与压缩系数，通过固结试验可以得到静止土压力系数K0，通过压缩模量Es与压缩系数换算得到泊松比ν与弹性模量E，K和G根据指标换算进行确定。最终确定的计算分析采用的各土层参数见表1。

表1 土层的主要物理力学指标和计算参数

2 基坑开挖及支护数值模拟

2.1 模拟方案

该基坑工程的围护桩桩长18 m，桩径为0.8 m，桩间距为1.0 m。预应力锚杆竖向间距3.0 m，水平间距2.5 m，入射倾角15°，预应力为150 kN，在地面以下2.5、5.5、8.5、11.5 m 处分别设置一层锚杆。分九步对基坑开挖进行数值模拟，步骤如下:

第1步:开挖至地面以下3.5 m;

第2步:施加第1层锚杆并施加预应力;

第3步:向下开挖3.0 m;

第4步:施加第2层锚杆并施加预应力;

第5步:向下开挖3.0 m;

第6步:施加第3层锚杆并施加预应力;

第7步:向下开挖3.0 m;

第8步:施加第4层锚杆并施加预应力;

第9步:继续向下开挖1.5 m至基底;

基坑分步开挖完成后锚杆设计分布情况如图3所示。

图3 基坑支护锚杆分布情况

2.2 基坑分步开挖竖向位移分析

2.2.1 分步开挖竖向位移概述

基坑分步开挖第一、三、五、七、九步后的竖向位移云图见图4。由图可知，基坑开挖卸荷使基坑土体应力重新分布。尤其是在基坑开挖初期，由于应力的重新分布，开挖对基坑土体的影响范围较大，随后由于开挖深度的增加，开挖对土体的影响趋于稳定。在开挖过程中，坑外土体发生了不同程度的沉降现象，随着距基坑壁的距离增大，沉降量先增长后减小。坑底土体随开挖的进行也出现相应的隆起现象，隆起量向基坑坑底中心位置逐渐增大，在坑底中心达到最大值。坑底隆起值与坑外土体沉降值随开挖的持续逐渐增大，两者的最大值均出现在第9步开挖后。随着开挖深度增大，相同开挖深度的坑底隆起的增量逐渐减小。在基坑分步开挖过程中，坑外土体的竖向位移与水平位移之间呈一定的对应关系，水平位移越大，坑外土体所发生的竖向位移也随之增大。

图4 基坑分步开挖后竖向位移云图(待续)

续图4 基坑分步开挖后竖向位移云图

2.2.2 分步开挖过程中坑外土体的竖向位移分析

基坑分步开挖第1步、第3步、第5步、第7步、第9步开挖后坑外土体的竖向位移如图5所示。从图可以看出，随着基坑分步开挖的进行，坑外土体的沉降量也不断增大。坑外土体沉降与开挖面的距离呈线性分布，每一步开挖所造成的坑外土体沉降曲线走势基本一致。基坑分步开挖过程中坑外土体最大沉降量发生在距基坑壁一定距离，之后距基坑壁越远，沉降量逐渐减少。通过模拟计算，第1步、第3步、第5步、第7步、第9步开挖后坑外土体沉降量最大值分别为 4.6、13.7、23.1、32.6、41.3 mm，分别为基坑开挖深度的 0.34‰、0.99‰、1.66‰、2.34‰、2.95‰，均符合规范的建议值3‰～5‰［7］。

图5 分步开挖过程中坑外土体的竖向位移

2.2.3 分步开挖过程中坑底的竖向位移分析

基坑分步开挖第1步、第3步、第5步、第7步、第9步开挖后基底竖向位移如图6所示。由图可知，随着开挖深度的增加，坑底土体竖向位移逐渐增大，在开挖过程中每一步开挖所造成的坑底竖向位移曲线走势基本一致;基坑中心坑底隆起量最大，其中第1步、第3步、第5步、第7步、第9步坑底隆起值分别为20.0、35.6、46.6、53.0、60.1 mm，在整个开挖过程中坑底14 m处的最大隆起值分别为11.8、24.0、36.1、48.2、60.1 mm(图7);其中第9步开挖隆起最大值为基坑深度的4.32‰，符合规范所建议值(3‰～5‰)。