基坑施工对周边环境保护的影响分析
2016-12-15王琛
王 琛
（广州诚信公路建设监理咨询有限公司，广东 广州 511431）
基坑施工对周边环境保护的影响分析
王 琛
（广州诚信公路建设监理咨询有限公司，广东 广州 511431）
文章旨在分析山区高速公路管理中心综合楼基坑施工对于相邻隧道受力影响，通过有限元计算分析开挖下围护结构、近临既有隧道和周边地层的变形和内力，以对现场施工做出合理预测，减少风险。
基坑支护；有限元；环境保护；plaxis 2d
拟建管理中心改扩建项目工程概况见表1。因地势起伏，A座综合楼基坑深度约3～9m，开挖范围内为人工填土，西侧约9m，南北侧约5m，东侧高度小，基坑工程安全等级为二级。B座综合楼基坑主要支护西侧、北侧深度约5～7m，开挖范围内为人工填土、坡积土和全风化岩，北侧现为板房，西侧距离盘山路8m。基坑工程安全等级为二级。拟采取桩锚支护。B座综合楼基坑开挖场地位于隧道口与盘山公路交汇处，距离隧道南线最近处仅12.2m，因此需要通过有限元计算分析开挖下围护结构、近临既有隧道和周边地层的变形和内力，以对现场施工做出合理预测，减少风险。
拟采用大型商业通用有限元分析软件plaxis2d按连续介质有限元方法进行弹塑性分析。该软件具有强大的非线性分析能力，在国内外岩土工程数值分析中得到广泛的应用，对于基坑开挖及降水全过程模拟有相当的精确度。
表1 建筑和构筑物概况
1 模型参数选取
1.1 模型尺寸及网格划分
根据基坑开挖对周边的影响范围，合理选取模型尺寸可减少边界条件对计算结果的影响。计算模型尺寸为100m（X方向）×30m（Y方向），基坑深度为5.6m，隧道中心间距25m，左侧距离基坑为12.2m。模型如图1所示。
图1 有限元模型
1.2 本构模型
（1）土体采用应变强化土模型（HS）。不同于理想弹塑性模型，硬化塑性模型的屈服面在主应力空间中不是固定的，而是由塑性应变的发生而膨胀。硬化可以分为两种主要的类型，分别是剪切硬化和压缩硬化。剪切硬化用于模拟主偏量加载带来的不可逆应变。压缩硬化用于模拟固结仪加载和各向同性加载中主压缩带来的不可逆塑性应变。这两种类型的硬化都包含在当前的模型之中。Hardening-Soil模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的先进模型（Schanz，1998）。在主偏量加载下，土体的刚度下降，同时产生了不可逆的塑性应变。在一个排水三轴试验的特殊情况下，观察到轴向向应变与偏差应力之间的关系可以很好地由双曲线来逼近。Kondner（1963）最初阐述了这种关系，后来这种关系用在了著名的双曲线模型（Duncan & Chang,1970）中。然而，Hardening-Soil模型目前已经取代了这种双曲模型。首先，它使用的是塑性理论，而不是弹性理论。其次它考虑了土体的剪胀性。再次，它引入了一个屈服帽盖。模型的一些基本特征如下：
刚度依据某个幂率的应力相关性。输入参数m
依据Mohr-Coulomb模型的破坏模式。输入参数c，φ，ψ。
当前Hardening-Soil模型的一个基本特征是土体刚度是应力相关的。比如当应力和应变是在固结仪条件下时，模型隐含的关系是：
在软土这一特殊情况下，使用m=1是现实的。这时，软土模型中所用修正压缩指数λ*和固结仪加载模量之间存在如下简单关系：
图2 标准排水三轴试验主加载下双曲型应力-应变关系
在这里qa是抗剪强度的渐进值。
（2）其他单元本构模型。①计算中，围护桩、抗拔桩采用等效刚度法可简化为h厚的板：
式中：d为排桩直径；bk为排桩间距。
围护桩、锚杆、隧道等材料变形较小，均处于弹性阶段，采用弹性模型进行模拟。
②材料参数取值。对相似土层作了合并，计算中不同土层的模型参数、重度、侧压力等，从地质报告中得到，其他通过地质报告中的数据，结合理论、经验及软件说明中的公式进行推导反演分析得到。主要参数见表2。
表2 土体计算参数表
③边界条件。模型底部约束条件为水平、竖直方向都固定；模型两侧约束条件为水平方向固定，竖直方向自由。
2 分析结果
2.1 模拟工况
根据基坑围护图纸，对基坑开挖的工况模拟如表3所示。
表3 施工步骤一览表
2.2 计算结果
计算结果如图3～13所示。
图3 施工后土体水平位移
图4 施工后土体竖向位移
图5 围护墙水平位移
图6 围护墙弯矩
图7 围护墙轴力
图8 围护墙剪力
图9 隧道变形
图10 隧道初始弯矩
图11 隧道最终弯矩
图12 隧道初始轴力
图13 隧道最终轴力
3 结束语
根据上述计算：围护墙水平变形为23.7mm，满足《基坑支护技术规范》要求的二级基坑锚杆支护体系0.006h=33.6mm的限值。左侧隧道最大变形为0.58mm，弯矩增加19.93kNm，轴力增加了10.5kN，经计算满足规范要求。
TV551.4
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2096-2789（2016）11-0036-03
