单梁支撑时不同开挖深度对基坑变形的影响

2022-05-25宗学才侯付闯

黑龙江水利科技 2022年4期

宗学才，侯付闯

(1.东营市水务局，山东东营 257091；2.陕西中凯恒瑞工程项目管理有限公司，西安 710000)

0 引言

进入21世纪，地下空间迎来了蓬勃发展的时代，在我国，随着各大城市地铁工程的不断兴建和中远期发展规划中的大量地铁工程，深基坑势必是地铁车站兴建时遇到的首建和难建工程。杨博维采用FLAC3D对不同支护条件的基坑开挖过程进行了过程开挖模拟，通过分析不断开挖过程中的基坑顶部、底部和侧壁位移变化，为实际工程的基坑开挖提供了支护建议[1]。陈榕等对广泛应用于淤泥质软土地区基坑开挖施工的侧壁支护地下连续墙和底部施打水泥搅拌桩的支护方案的可靠性进行了数值模拟验证，采用的数值分析软件是FLAC3D，结果证明了该支护方案可安全保证淤泥质软土地区的深基坑工程的开挖施工，并且客观上验证了FLAC3D可以用于基坑开挖变形的有效模拟软件[2-3]。高涛等采用FLAC软件对基坑开挖工程中的钢梁支撑轴力大小进行了分析，结果表明FLAC可以用于基坑支撑结构变形研究的工具[4-6]。徐帮树等为了验证复合土钉墙支护基坑方案的有效性，采用FLAC3D有限差分软件进行了模拟计算，对计算过程中的具体设置做了明确说明，详细分析了基坑变形可能造成的各种构建的力学相应，指出在应用FLAC3D软件进行该种复合支护方案的可靠性研究时在FLAC3D可以采用锚杆和土体相互作用的模型来近似模拟，计算精度较高，得出的结果可靠[7-8]。张璐等研究了基坑开挖导致的地表变形开裂对附近建筑构成的不利影响，指出了周边建筑变形破坏的诱发因素，其主要采用FLAC进行计算分析[9-10]。刘贺等开发了一种神经网络方法用于基坑的变形监测，并成功运用于长春市火车站北广场的深基坑开挖变形监测中，所开发的方法主要是基于粒子群优化算法[11]。

文章通过FLAC3D自带的建模工具，构建了一个基坑开挖模型，同时采用梁结构单元对基坑上部进行加固支撑，设置好基本条件后，进行计算，获得了基坑变形的位移云图和钢梁结构单元的轴力大小，得出随着开挖深度的加大，这些关键稳定指示参数的变化特征。

1 FLAC3D中梁体结构单元

FLAC3D有三种线性结构体，包括梁、锚索和桩[12]。梁结构体包括梁构件和梁节点，梁结构单元在建立完成后，需要对其弹性模量、泊松比(或体积模量、剪切模量)、横截面积、y、z轴的惯性矩和极惯性矩进行设置。另外还有密度、塑性矩、热膨胀系数等参数可供选择设置。

2 模型构建

如图1(a)、(b)所示，构建两种基坑开挖深度的基坑模型，基坑开挖深度分别为2m、3m，基坑开挖宽度和长度一致，开挖宽度2m，开挖长度4m，基坑材料为土质材料，赋予其相应的土体材料参数。

(a)基坑开挖深度2m (b)基坑开挖深度3m

3 计算结果

本节集中讨论两种开挖深度条件下，支撑钢梁的轴力和基坑侧壁及底部的变形情况，通过比较两种不同开挖深度条件下的钢梁轴力和基坑主要位移区的变形大小，得出随着开挖深度的不断加大，各参数的变形规律。

3.1 基坑开挖深度为2m

基坑开挖2m时，单梁横支撑的轴力云图，如图2(a)所示。可见，当基坑开挖深度为2m时，钢梁横支撑受到的轴力大小大约为968N，整个钢梁受力均匀，未出现偏压现象。当基坑开挖深度为2m时，基坑的侧壁和底板的位移云图如图2(b)所示。由图2(b)可知，该开挖深度条件下，未见侧壁发生明显位移，这说明设置的钢梁横支撑发挥了很好的作用，变形主要集中在基坑的底板位置，变形最大处位于基坑的底板中间部分，最大变形位移为0.0004835m，方向向上，表明底板有发生底鼓的危险，但是该最大位移值较小，说明在此开挖深度条件下，采用单梁支撑方案，基坑是安全的。

(a)钢支撑轴力大小 (b)位移云图

3.2 基坑开挖深度为3m

基坑开挖3m时，单梁横支撑的轴力云图，如图3(a)所示。由图所示轴力值可知，当基坑开挖深度为3m时，钢梁横支撑受到的轴力大小大约为3159N，相对于基坑开挖2m时的轴力大为增加，整个钢梁受力均匀，未出现偏压现象。当基坑开挖深度为3m时，基坑的侧壁和底板的位移云图如图3(b)所示。由图示位移值大小可知，该开挖深度条件下，侧壁已出现明显位移，侧壁变形凸显，但是在钢梁横支撑附近的变形较小，随着与钢梁横支撑距离的不断加大，侧壁变形值不断加大，在一定位置处达到极大值，随后又逐渐减小，形成了以钢梁支撑点为中心的变形圈云，这说明设置的钢梁横支撑发挥了很好的作用，较大变形主要集中在基坑的底板位置，变形最大处位于基坑的底板中间部分，最大变形位移为0.0007301m，方向向上，相比基坑开挖深度为2m时，最大变形位移明显增大，表明底板有发生底鼓的危险，但是该最大位移值较小，说明在此开挖深度条件下，采用单梁支撑方案，基坑是安全的。