基于强度折减理论的深基坑稳定性分析

2022-10-10商兆涛姚家李姚华彦

合肥工业大学学报（自然科学版） 2022年9期

关键词：安全系数围护结构土体

商兆涛, 姚家李, 夏琴, 姚华彦

(1.芜湖市轨道(隧道)交通工程质量安全监督站,安徽芜湖 241000; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

0 引言

随着我国城市化进程的加快,各类高层建筑、地铁和市政工程迅速增多,各种大规模基坑工程也越来越多。评价基坑的稳定性是基坑设计与施工需要考虑的主要问题之一,对基坑的安全施工及变形控制具有重要意义。

抗剪强度折减系数的概念首次由Zienkiewicz等在1975年提出[1],此概念得到岩土工作者的广泛认同,并在边坡及地下洞室的稳定性分析中得到广泛应用[2-6]。

强度折减法是通过降低土体强度参数来实现工程失稳情况的模拟,即将土体的强度参数黏聚力c和内摩擦角的正切值tanφ同时除以一个相同的折减系数Fs,用折减后的强度参数进行计算分析,通过不断调整折减系数的大小,反复计算直到土体达到极限平衡状态。强度折减法具体计算公式为:

(1)

(2)

其中:c′、φ′为强度参数c、φ折减Fs倍后的黏聚力和内摩擦角。

强度折减法克服了传统极限平衡法需要事先假定滑动面的缺陷,只需不断进行强度折减,土体达到极限破坏状态时的折减系数Fs即为基坑的稳定安全系数。

由于强度折减法不需提前假定破坏面,其逐渐被一些研究者应用于基坑的稳定性计算[7-12],如考虑基坑维护结构入土深度、坑底特殊土层厚度[7-8]及围护结构强度[9]等条件下的基坑抗隆起稳定性分析。除了抗隆起之外,基坑整体稳定性与周边环境的安全性也是基坑设计施工的重要方面。文献 [10]探讨不同土体本构模型对强度折减法分析基坑整体稳定性的影响;文献 [12]通过强度折减法研究基坑开挖对周边环境的影响。

本文结合深基坑实例,采用FLAC3D有限差分软件,模拟分析孔隙水压力作用下基坑开挖过程中的变形规律;采用强度折减法分析深基坑的稳定性,计算不同开挖深度下的基坑安全系数,并

重点分析基坑围护结构深度对基坑安全稳定的影响。

1 工程概况

本工程基坑位于安徽省芜湖市,属于城南过江隧道的江北工作井深基坑。江北工作井为盾构始发井,基坑开挖平面示意如图1所示(单位为m),基坑开挖支护剖面示意如图2所示(单位为m)。端头井基坑(即图1中ABCD部分)开挖尺寸为22.6 m×43.4 m,开挖深度为27.2 m。支护结构采用地下连续墙+内支撑的支护形式,支撑体系采用4道钢筋混凝土支撑和1道钢支撑。地下连续墙顶部设1圈钢筋混凝土顶圈梁,第2道至第5道支撑处各设1圈钢筋砼围檁兼做主体结构。

图1 基坑开挖平面示意

图2 基坑开挖剖面示意

芜湖城南过江隧道工程场区覆盖层主要以第四系全新统长江冲(洪)积层(长江冲积平原)为主,在无为岸(北岸)发育较厚,厚度为49～55 m,岩性呈较典型的二元结构,以流塑状淤泥质土,稍密—中密状粉、细砂为主,底部为基岩。

根据含水层的岩性、埋藏条件和地下水赋存条件、水力特征,场区范围内地下水类型可分为松散岩类孔隙潜水及基岩裂隙水。场地位于长江及其两岸,水位、水量受控于江水补给的边界条件。初始地下水位在地表下1.5 m,开挖过程中对基坑内进行降水,保证坑内水位在基坑底部以下1.0 m处。

2 计算模型建立

2.1 基坑模型与本构模型

深基坑开挖的影响范围受多种因素的影响,为满足计算精度要求,同时保证一定的计算速度,通常选取工程对象最大几何尺寸的3～5倍来确定计算范围。根据开挖基坑的几何尺寸,确定端头井基坑计算模型的长×宽×高为276 m×200 m×75 m,整体模型如图3所示。

图3 基坑三维模型

土体的本构模型采用岩土工程领域中常用的Mohr-Coulomb弹塑性模型,将土体视为各向同性、连续的弹塑性材料。采用空模型对开挖部分进行模拟。根据地质勘查报告,土体的具体计算参数见表1所列。

表1 各土层物理力学计算参数取值

地下连续墙、冠梁和混凝土围檩采用实体单元,并选取线弹性本构模型对其进行模拟。混凝土支撑与钢支撑采用梁结构单元模拟。

地下连续墙厚度为1.2 m,深度为51.5 m,采用C35混凝土。钢筋砼围檁采用C35混凝土。前4道混凝土支撑采用C30混凝土,第5道支撑为直径800 mm、壁厚20 mm的钢管支撑。围护结构的计算参数见表2所列。

表2 围护结构计算参数取值

2.2 边界条件及计算工况

模型平面内无约束,四周仅约束边界法向位移。底部水平边界采用固定约束,上平面为自由面,无任何约束。考虑施工过程中,施工机械以及材料堆载对基坑开挖的影响,对基坑边缘15 m范围内施加均布荷载,大小为20 kPa,方向向下。

根据基坑明挖法施工顺序,确定相应的模拟过程,具体的计算工况见表3所列。

表3 基坑模拟计算工况

3 计算结果分析

3.1 基坑开挖过程中的变形分析

(1) 围护结构水平位移。盾构基坑地下连续墙在基坑开挖后向基坑内部产生位移,最大水平位移发生在端头井长边的中部,即图1中BC段的中部,其水平位移随开挖工况的变化情况如图4所示。

图4 地下连续墙水平位移变化曲线

由图4可知,随着基坑开挖深度增加,地下连续墙的水平位移不断增大,并且6种工况下开挖的最大水平位移点接近于基坑开挖面。基坑开挖面以下,由于坑内土体的被动土压力作用,地下连续墙的水平位移逐渐减小。整个基坑开挖过程中,地下连续墙的最大水平位移为13 mm,出现在工况6。

(2) 基坑外地表沉降。坑外地表沉降随开挖深度增加的变化曲线如图5所示。

图5 基坑外地表沉降曲线

从图5可以看出,随着基坑开挖深度增加,地表沉降明显增大,地表沉降最大值为6.6 mm,出现在工况6。坑外地表沉降量较小,并且最大沉降量并非出现在地下连续墙背后,而是随着与基坑边缘距离的增大逐渐增大,在距离基坑边缘约12 m处达到最大值,这主要是由于土体与地下连续墙之间的摩擦限制了土体的沉降所致;之后随着与基坑边缘距离的增加沉降值又逐渐减小,最后逐步趋于0。

3.2 基于强度折减的基坑稳定性分析

采用强度折减法分析基坑稳定性的一个关键问题是如何判别基坑是否处于极限状态。目前的极限状态判别方法主要有3种:① 数值计算不收敛[13-14];② 土体塑性区贯通[15-16];③ 特征点位移突变[17]。其中土体塑性区贯通是土体破坏的必要条件,但不是充分条件。土体整体破坏的标志应是滑体出现无限移动,此时滑移面上的应变或者位移出现突变,而数值计算会同时出现计算不收敛。由此可见,上述①、③判据是一致的,因而可将数值计算不收敛或者特征点位移突变作为土体破坏的依据[18]。

本文以数值计算不收敛作为判别依据,对基坑开挖中的每种工况分别进行强度折减计算,在考虑孔隙水压力作用下,通过不断地折减土体的强度参数c、φ,获得土体达到极限状态时的折减系数Fs,此时的折减系数即为基坑的安全系数。安全系数Fs随深基坑开挖深度的变化情况如图6所示。

图6 安全系数Fs随开挖深度变化曲线

从图6可以看出,随着深基坑开挖深度增加,基坑的安全系数相应降低。在开挖初期,安全系数降低速度较快,而随着施工的逐渐进行,安全系数的变化逐渐趋于平缓。

开挖完成后,最终的基坑安全系数为2.870。通过理正深基坑软件计算本基坑的最终整体稳定安全系数为2.782,与本文强度折减法所得安全系数十分接近,表明本文计算方法是合理的。

限于篇幅,本文仅对安全系数最小的工况6作进一步分析,通过不同折减系数下的位移云图及位移矢量图分析基坑在强度折减法下的失稳破坏过程。在基坑开挖过程中,考虑到地下水的作用,开挖前需要对基坑进行降水。在FLAC3D软件中,将模型顶部边界设置初始孔隙水压力为0 Pa,地下水位设置在地表下1.5 m,降水过程中固定四周边界孔隙水压力及水头以模拟渗流补给。坑内水位降至基坑底部以下1.0 m。工况6降水前、后的水压力分别如图7、图8所示。