软土深基坑开挖过程的三维模拟

郝　哲, 张　颖, 尹亮亮

(1. 沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳　110044;

2. 辽宁有色勘察研究院, 辽宁 沈阳　110013)



软土深基坑开挖过程的三维模拟

郝哲1,2, 张颖2, 尹亮亮2

(1. 沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳110044;

2. 辽宁有色勘察研究院, 辽宁 沈阳110013)

摘要:采用FLAC3D软件开展深基坑双排桩+锚索支护及开挖全过程数值模拟研究,给出开挖过程中和开挖结束后的应力和位移分布,监测变形状态,剖析开挖过程对基坑土体的影响,验证设计方案的可行性,及时调整现场施工的支护参数和支护措施.研究方法和结论对类似软土地区基坑工程的设计和分析有较大借鉴意义,监测点位移分析结果可为进一步开展反分析和二维分析提供依据.

关键词:基坑; 双排桩; 锚杆; FLAC3D

深基坑开挖是一个在时间和空间上不断变化的过程,每步开挖或支护都对以后各步产生重要影响,工程的最终稳定性也与开挖过程密切相关.深基坑工程是典型的三维问题,深入研究其稳定特征必须按空间体考虑.

辽宁营口红运广场(家乐福)基坑工程,地层主要由人工填土、淤泥质土、粉土等组成,属于典型沿海软土地区,现场开挖时岩土体强度低、变形大,基坑设计支护方式采用双排桩+锚杆支护.目前,双排桩-土共同作用的机理尚未研究清楚,无统一的设计方法,相应规范也没有对该结构做出规定[1].

本文采用FLAC3D软件开展现场基坑双排桩+锚索支护及开挖全过程三维模拟,给出开挖过程中和开挖结束后的应力和位移场分布,监测变形状态,剖析开挖过程对基坑土体的影响,验证设计方案的可行性,及时调整现场施工的支护参数和支护措施,并校核现场位移监测结果,提出合理建议.

1现场基坑支护方法

1.1　支护结构特点分析

双排桩支护结构是由前后两排平行桩、冠梁、排桩顶间拉梁共同构成的空间结构[2]. 双排桩侧向刚度大, 能有效控制结构的侧向水平位移; 双排桩支护的围护深度也相应增加[3]; 双排桩支护结构不需设置内支撑, 施工较方便, 工期短. 双排桩对于沿海一些软土地层会带来更好的效果[4].

双排桩+锚杆支护形式,是在双排桩支护基础上,施加锚索所形成的新型桩锚结构.它由双排桩结构和预应力锚索组成,是比双排桩具有更大侧向刚度的超静定结构,能更有效控制变形[5];可较好消除锚杆越出红线所带来的隐患问题,无需太多场地,对环境的要求也比较低;锚杆双排桩直径小且锚索用量少,施工方便且造价低,比锚杆单排桩要经济得多.

1.2　支护结构参数

项目最初设计采用上部放坡、下部双排螺旋钻孔压灌桩加一排锚索联合支护方案,但随着现场基坑开挖的进行,发现依据设计方案施工基坑变形过大,难以满足稳定要求,因此设计方案不断调整.最终实际支护方案是:螺旋钻孔压灌桩支护桩加桩后锚桩、三排锚索、拉梁联合支护.基坑设计由二维理正软件完成.

2计算模型建立

2.1　现场基坑支护布置图

图1为基坑开挖平面布置图,图2为基坑典型剖面支护立面图.

图1　基坑开挖平面布置图

图2　基坑支护立面图

2.2　本构模型及参数选取

采用Mohr-Coulomb准则.中心基坑开挖区采用8节点六面块体网格(brick),周围区域采用14节点六面体外围渐变放射网格(radtunnel);桩、梁、锚索采用不同结构单元模拟:前后排支护桩采用桩单元(pile),前后排桩顶冠梁及拉梁采用梁单元(beam),锚索采用预应力锚索单元(cable).岩土地层、支护桩、锚索、冠梁、拉梁等材料的计算参数,依据实验室试验和地质报告提供的数据取值.

2.3　模拟开挖过程

针对现场基坑实际开挖过程,模拟分析定为9个开挖步.

① 1步:开挖前初始状态;② 2步:上部3.5 m放坡;③ 3步:双排桩施工,前排桩顶冠梁、前后排桩顶间拉梁施工;④ 4-1步:基坑第1次开挖;⑤ 4-2步:基坑第1排锚索安装;⑥ 5-1步:基坑第2次开挖;⑦ 5-2步:基坑第2排锚索安装;⑧ 6-1步:基坑第3次开挖到坑底标高;⑨ 6-2步:基坑第3排锚索安装.

2.4　网格剖分

尽管计算分析的基坑范围大,但平面形状基本对称.选取整体的1/4区域作为分析对象,整个基坑区域中心点设为坐标原点(坐标:0,0,0).边界条件:南、北边界x方向固定;东、西边界y方向固定;底边界z方向固定;顶边界为位移自由边界.开挖后地层网格及支护布置见图3和图4.

图3　1/4区域开挖后地层网格

图4　1/4区域开挖后支护结构

3程序模拟结果

3.1　模拟结果云图

图5~图6为基坑开挖结束时的最大主应力(σ1)和最小主应力(σ3)云图.图7为基坑开挖结束时的单元屈服状态图.图8为竖向位移zdis云图.图9为开挖结束时的南北向位移xdis云图.图10为东西向位移ydis云图.

图5　62步之σ1

图6　62步之σ3

图7　62步之state

图8　62步之zdis

图9　62步之xdis

图10　62步之ydis

3.2　监测点及剖面分析

3.2.1侧壁水平位移

图11为基坑东侧桩顶his1~his4监测点ydis位移变化图;图12为基坑南侧桩顶his5~his8监测点xdis位移变化图.

图11　基坑东侧桩顶冠梁4个监测点ydis变化图

图12　基坑南侧桩顶冠梁4个监测点xdis变化图

3.2.2周边沉降

图13为基坑东部周边地表土体his11~his14沉降监测点zdis位移变化图;图14为基坑南部周边地表土体his15~his18沉降监测点zdis位移图.

图13　基坑东部周边土体4个监测点zdis变化图

图14　基坑南部周边土体4个监测点zdis变化图

3.2.3坑底回弹及地表沉降

图15为基坑开挖后坑底水平面的zdis位移图.图16为基坑开挖后地表水平面的zdis位移图.

图15　基坑坑底水平面的zdis切片图

3.2.4侧壁变形

图17为基坑南北对称剖面变形图.图18为基坑东西对称剖面变形图.

图17　y=0剖面位移矢量图及变形云图

图18　x=0剖面位移矢量图及变形云图

3.3　结构分析

3.3.1支护桩

现场双排桩弯矩见图19和图20.

图19　前排支护桩弯矩图(东南阴角处)

图20　后排支护桩弯矩图(东南阴角处)

3.3.2锚索

三排锚索轴向应力见图21和图22.

图21　东西坑壁锚索的轴应力图

图22　南北坑壁锚索的轴应力图

4计算结果分析

4.1　应力分析

(1) 初始地应力状态(第1步),未见剪切破坏和拉伸破坏单元.这种状态下应力均匀分布情况,随着深度的增加,主应力逐渐增加[6].

(2) 地表3.5 m放坡开挖后(第2步),对应力状态的影响较大,此时主应力的均匀分布状态被打破,有主拉应力出现.由于开挖不深,有少量剪切塑性区出现但范围不大,塑性区主要产生在基坑东、南侧壁坑底中部.

(3) 双排桩及其冠(拉)梁施工完成后(第3步),由于未开挖而对土体预加固,桩施工对土体应力状态影响不大,由于支护作用,最大拉应力略有减小.该步与上一步屈服状态基本没有变化.

4.2　位移分析

4.2.1侧壁水平变形分析

(1) 无论是基坑长边还是短边,基坑侧壁水平变形的分布规律是一致的[7].

(2) 靠近基坑中部的监测点变形较大,而两边的变形相对较小.东侧监测点最大水平位移值-82.4 mm,南侧监测点最大水平位移值-58.3 mm.

(3) 基坑各侧壁的水平变形规律均为桩顶地表冠梁处为最大,而向深部逐渐减小.说明基坑最终呈现悬臂变形特征.

4.2.2周边沉降分析

(1) 无论是基坑长边还是短边,基坑周边沉降变形的分布规律是一致的.

(2) 东侧和南侧的沉降变形值基本相等.其中,东侧周边沉降位移最大值约为305.9 mm,南侧周边沉降位移最大值约为304.2 mm.

(3) 基坑各周边各剖面的竖向沉降变化规律是:越靠近基坑内部竖向位移越大,而向坑外呈现有规律减小的特征.

4.2.3坑底回弹分析

(1) 坑底中心的9、10监测点的回弹变化规律基本一致,均随着基坑开挖及支护工序推进而逐渐增大.

(2) 基坑第2步放坡开挖后,坑底中心点回弹位移最大值约为67.46 mm;基坑全部开挖并支护完成后,坑底中心点回弹位移最大值约为114.7 mm.

4.2.4水平剖面的竖向位移分析

(1) 竖向位移由坑周沉降(方向向下)逐渐变化为坑底回弹(方向向上),反映出基坑开挖底面处的竖向位移变化规律.

(2) 地表处作水平切面后,地表位移均为沉降,地表最大沉降值为-66.89 mm.

4.2.5垂直剖面的变形规律

(1) 两方向基坑对称剖面的位移矢量和变形规律是一致的.

(2) 支护桩水平变形为顶部位移最大,沿深度逐渐变小,其方向为水平向,呈倒三角形分布;由于土中应力释放,支护桩产生向上位移,这给基坑稳定、地表沉降及桩体自身稳定都会带来一定危害,在软土地层显得更为明显.

(3) 坑内土体的变形为中间隆起最大,向两侧逐渐减小.

(4) 距离桩体一定范围内的地表土体沉降呈现先增大再减小趋于平缓的趋势.

4.3　支护结构分析

(3) 后排桩弯矩较前排桩小一倍左右,说明前排支护桩在双排桩支护结构中起主导作用,受基坑变形和施加锚索的影响更大.

(4) 三排锚索中,第一排锚索轴向力最大,支护效果最明显,锚索从第一排到第三排轴向力呈递减趋势.单根预应力锚索轴向力在锚固段头部集中并形成峰值,然后逐渐向末端减小并最终趋近于零,这反映出拉力型锚索的轴向力分布特征.

5结语

就基坑应力分布来看,不支护或仅采用双排桩支护难以满足稳定性要求,可能导致基坑整体变形过大,从而引起基坑坍塌,丧失整体稳定危及施工安全,因此设计中给出的双排桩+冠(拉)梁+三排锚索支护措施必须予以严格执行.

就基坑位移分布来看,坑周水平变形和沉降位移基本满足或略超过规范要求.由于模拟中难以考虑到坑周水泥搅拌帷幕桩、桩间土挂网喷砼二次护壁、放坡处挂网喷砼支护、坑底截排水等有益基坑稳定提高安全系数的其他措施,因此认为设计方案可基本满足水平和沉降位移的要求.另外,坑底回弹变形超过100 mm,已高出规范预警值约一倍,因此要格外注意坑底回弹效应,及时施工坑底抗拔桩和基础垫层,并加快上部主体建筑的施工进度.

模拟分析结果证实了软土地区采用双排桩+锚索施工的可行性和合理性.研究方法和结论对类似软土地区基坑工程的设计和分析具有较大借鉴意义.基坑模拟监测点位移分析结果可为进一步开展反分析和二维分析提供依据.

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【责任编辑: 祝颖】

(Zhang Weizheng, Hao Zhe, Xiao Mingru. Theory and Practice of Deep Excavation and Support Engineering[M]. Beijing: China Communications Press, 2014:115-117.)

Three-Dimensional Numerical Simulation on Excavation of Deep Foundation in Soft Soil

HaoZhe1,2,ZhangYing2,YinLiangliang2

(1. Architectural and Civil Engineering College, Sheyang University, Shenyang 110044, China; 2. Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute, Shenyang 110013, China)

Abstract:FLAC3D software is used to develop the numerical simulation study on the excavating and supporting process of double-row piles plus anchor; the stress field and displacement field distribution along excavation and after the excavation are given; the state of deformation is monitored, the impacts of foundation pit excavation process on soil are analyzed, the feasibility of the 2D software design scheme is verified, and the supporting parameters and measures of construction are adjusted in site. The research methods and conclusions have significance for the similar design and analysis of foundation pit in soft soil area. The monitoring displacement analysis results can provide the basis for further analysis and two-dimensional analysis.

Key words:foundation pit; double-row pile; anchor; FLAC3D

收稿日期:2014-06-03

中图分类号:TU 473.2

文献标志码:A

作者简介:郝哲(1972-),男,辽宁沈阳人,沈阳大学教授,博士.

基金项目:沈阳市科技局计划项目(F13-165-9-00); 辽宁省教育厅高校科研项目(L2010377).

文章编号:2095-5456(2015)01-0049-07