基于逆作法施工的基坑开挖变形特征有限元分析

2020-03-23陈志亮董和平陈晓

中国建材科技 2020年6期

陈志亮董和平陈晓

(1甘肃建投土木工程建设集团有限责任公司，甘肃兰州 730050；2兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050)

0 引言

我国基坑工程的起步较国外略晚，但发展迅速。当前，城市用地越来越紧张，为了充分利用土地不得不向地下空间拓展，所以基坑开挖深度不断加深[1]。许多高层建筑的基坑开挖很深，如环球金融中心、上海中心等，据相关资料，国内基坑的最大开挖深度已经达到40m。合理地开发和使用地下空间是未来的必然趋势，许多国家已经开始朝着“地上-地面-地下”三个方向同时发展[2-3]。

随着城市超高层建筑的发展，基坑工程也逐渐成熟。有些地方基坑的开挖存在空间上的局限性，对基坑工程要求越来越高的同时也出现了越来越多的问题，使得传统技术下的基坑施工面临巨大的挑战，因此新兴的基坑技术应运而生[4-5]。逆作法是近年发展起来的一项新的深基坑支护与地下施工技术，伴随着城市建筑从高空向地下拓展，公共交通朝多层次立体化发展而产生。与传统的深基坑工程技术相比，逆作法具有明显的优势，例如更环保、更节能、具有可持续性，同时它也克服了传统基坑工程技术上的诸多缺陷，不仅在高层建筑的地下空间施工时有着显著成效，而且更加经济，符合当前节约型社会建设的大方向[6-7]。目前关于逆作法的研究主要以模拟与现场监测为主，因此本文针对某工程实例，采用有限元软件ABAQUS建立三维模型来模拟逆作法施工全过程，以此分析基坑的变形特征，为逆作法施工基坑工程的设计、施工、监测提供参考。

1 逆作法施工简介

逆作法是在施工现场首先施工工程桩和支护结构，然后开挖第一层土体，接着浇筑零层楼板和施工支承柱，也可以先进行零层楼板的施工而不开挖，然后开挖土体，开挖到一定位置施工各层的楼板。可以在地下结构施工的同时施工地上结构，也可以在地下结构施工结束后再施工地上结构，施工前需要计算地上结构施工花费的时间和施工规模的大小。

如果地下室是多层的，通常的做法是采用“敞开式”施工工艺，这是一种传统的施工方法，而逆作法与这种施工方法相对应，被称为“封闭式”施工方法。其施工过程如下：

1）在施工场地平整和清理后，根据设计要求进行桩的定位，然后在施工场地进行布桩的施工，再根据设计要求进行立柱结构的施工；

2）沿着拟建建筑物地下室的周边轴线施工地下连续墙；

3）根据设计好的开挖深度开挖第一层土体，同时支模板浇筑第一层梁板，在支护桩的顶部加施冠梁，冠梁顶部浇混凝土梁，此梁即为基坑的第一道水平内支撑；

4）第一层土体开挖完成后支模板浇筑地下第二层梁板，加施腰梁和混凝土支撑梁，混凝土支撑梁即为基坑的第二道水平内支撑；

5）重复上述施工步骤，直至地下室结构底板位置梁板的浇筑；

6）最后一步是浇筑立柱外包的混凝土，浇筑地下室结构四周的围护墙。

逆作法根据上部结构的施工时间可以分为全逆作法和半逆作法。全逆作法指地下结构和地下结构同时施工，半逆作法指地下结构施工完成后再进行地上结构的施工。

2 有限元模型建立

2.1 模型及土体参数

本文采用有限元软件ABAQUS建立基坑三维模型，对逆作法施工过程进行模拟。本文选取常用的摩尔库伦模型（M-C模型）作为土体本构模型，土层参数根据地勘报告选取，土体物理力学参数取值如表1所示。

表1 土体物理力学参数

2.2 基坑模型建立

建立模型时采用如下基本假定：

1）模型中各层土是均匀、各向同性的弹塑性体；

2）支护结构（地下连续墙、支撑桩、内支撑等）均为完全弹性体；

3）因为采用地下连续墙支护，能够形成完整的止水帷幕，故在模拟过程中不考虑基坑降水，开挖过程中不存在渗流作用；

4）分层开挖为一次性开挖，不考虑基坑开挖的时间效应。

计算模型大小根据基坑开挖深度来确定，基坑开挖深度为21m，宽度为21m，一般要求基坑模型尺寸为基坑开挖深度的3～5倍，故选取的模型尺寸为100m×60m×60m，开挖土体共分3层，每层开挖7m。模型部件包括4个部分，分别为土体、立柱、地下连续墙、梁板。各部件采用的单元类型依次是：土体采用实体单元，立柱采用梁单元，地下连续墙和梁板采用壳体单元。梁板位置位于0m、7m、14m、21m处，以此作为基坑开挖时的水平内支撑。梁板的厚度为0.5m，地下连续墙的厚度为1m，埋置深度为30m，立柱埋置深度为45m，直径为1.6m。各部件创建好后分别赋予材料属性。立柱、地下连续墙、梁板的材料参数选取如表2所示。将各个部件进行装配，如图1和图2所示。装配好后开始设置分析步和接触，分析步如下：

表2 支护结构材料参数

图1 支护结构示意图

图2 土体结构示意图

1）创建地应力平衡分析步，施加重力进行地应力平衡，同时在Model change中将所有的支护结构“杀死”；

2）通过Model change“激活”地下连续墙和立柱，模拟地下连续墙和立柱施工完成后的情况；

3）“激活”第一层梁板，模拟第一层梁板施工完成；

4）“杀死”第一层开挖土体，模拟第一层土体开挖完成；

5）依次进行后面梁板的“激活”与土体的“杀死”；

6）“激活”第四层梁板，模拟地下室底板封闭完成。

边界条件的施加主要为限制模型边缘X和Y两个水平方向的位移，模型底部X、Y、Z三个方向的位移。见图3。

图3 边界条件施加示意图

模型网格划分时，网格整体向着基坑开挖部分加密，基坑整体支护结构和土体网格划分如图4所示。

图4 模型网格划分示意图

3 结果分析

3.1 位移结果分析

在自然状态下，岩土体处于应力平衡状态，场地内开始施工后，打破了土体初始地应力平衡，土体开挖时，基坑周边的土体在不平衡土压力作用下发生挤压，产生一系列变形，从而引起周边土体发生水平位移和竖向位移，与此同时，基坑坑底由于基坑内土体开挖卸荷的作用，坑底土体由正常固结土变为超固结土，在卸荷作用和周边不平衡土压力差的挤压作用下发生隆起变形。

通过数值模拟计算，基坑的整体变形见图5～图7。

图5 开挖完成后水平X向位移云图

图6 开挖完成后水平Y向位移云图

图7 开挖完成后竖向位移云图

3.1.1 坑底隆起变形

基坑分层开挖，坑底土体在分层开挖卸荷作用下产生坑底隆起变形，基坑分层开挖作用下土体隆起曲线如图8。

图8 分层开挖坑底隆起曲线图

为研究基坑在支护条件下分层开挖引起的基坑坑底隆起变形特征，分别提取基坑坑底在分层开挖完成后坑底隆起变形值，绘制曲线图8。从图8可知，每一层土体开挖完成后都导致基坑坑底土体在开挖卸荷作用下产生竖直向上的弹性隆起变形，距离基坑中心的距离越近，坑底隆起值越大，这是由于基坑开挖边缘土体与支护结构的接触面之间存在摩擦作用，在基坑开挖边缘位置土体的卸荷回弹变形受到摩阻力的影响，距离基坑边缘越远影响越小，所以基坑坑底隆起值最大值位于基坑中心位置，由于基坑对称可知坑底隆起曲线呈抛物线型。土体开挖初期，坑底隆起变形的性状主要是弹性回弹变形，随着开挖深度的增加，基坑内外的不平衡土压力逐渐增大，坑底逐渐出现塑性变形，土体的隆起变形值由弹性变形和塑性共同组成，随着土层逐渐开挖完成，坑底隆起值逐渐增大，最大隆起值出现在第三层土体开挖完成后，最大值隆起为18mm。而且在坑底以下一定范围内的土体也会受到基坑开挖卸荷的影响，随着距离坑底开挖面距离的增大，卸荷影响程度逐渐减弱。

3.1.2 围护结构变形

基坑开挖过程中，支护结构在坑内外不平衡土压力作用下产生水平位移，数值模拟计算得到的支护结构水平位移与支护结构深度的关系曲线图如图9所示。

图9 地连墙水平变形曲线图

由图9可知，在土体开挖过程中，支护结构（地下连续墙）在开挖引起的坑内外不平衡土压力作用下产生向临空面的水平位移。支护结构的水平位移均呈现先增大再减小的趋势，随着开挖深度的增加，减小的趋势存在差异，即每一层土体开挖完成后导致的最大支护结构水平位移不同，最大的水平位移出现在第三层土体开挖完成后，最大位移值约5.5mm。随着开挖深度的增加，最大水平位移点也有所下移，位于支护结构深度17.5m处，且位于基坑开挖面以上，最大水平位移点可近似认为位于支护结构深度的1/2处，这与已有资料的研究相一致。

3.1.3 地表沉降变形

基坑开挖过程中，距离基坑开挖边缘的土体会由于坑内土体开挖卸荷的原因产生竖向沉降，基坑外土体沉降曲线图如图10所示。

由图10可知，基坑开挖后，基坑以外的土体会发生竖向沉降，沉降值先增大后减小，最后近似为零，沉降值整体呈勺形，随着每层土体开挖完成后最大沉降值会有所移动，最大沉降值出现在基坑外5m左右。开挖第一、二、三层土体后最大沉降值依次为0.5mm，4.43mm，7mm，所以基坑地表的最大沉降位移为7mm。

图10 基坑外土体沉降曲线图

3.2 应力结果分析

岩土体在复杂地质构造环境作用下处于复杂的应力状态，基坑的开挖打破了土体初始应力平衡状态。通过数值模拟对基坑土体在开挖作用下竖向应力进行分析，竖向应力云图如图11所示。基坑的开挖会对基坑周围一定范围土体的竖向应力产生影响，但由于支护结构的存在，土体的竖向应力未能完全释放，应力变化不是很大，对周围环境的应力场变化影响较小。而在基坑底部范围内，基坑底部开挖后未及时设置加固措施，导致坑底土体产生竖向卸荷作用，土体的应力释放量较大，在坑底以下基坑开挖深度的2～3倍范围内出现了明显的应力变化，对周围环境的应力场影响较大，最终导致坑底土体产生较大变形。