某大桥锚碇基坑三维应力变形分析①

贺建清，陈 谦，王 朦，梅松华

（1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.湖南科技大学，湖南 湘潭 411201；3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

工程建设中常涉及基坑工程，基坑开挖安全与否受多种外界因素的影响，在进行基坑支护设计时，不仅要考虑方案的合理性和施工的可行性，还要考虑其结构的安全性和低成本性，因此，科学有效地预测和评价基坑在开挖过程中的力学变形特征对指导基坑的支护设计和安全施工具有十分重要的意义［1-2］。

随着岩土力学理论和计算机软硬件的发展，数值计算模拟成为预测和评价基坑开挖支护方案及效果的有效手段［3-7］，但以往的研究主要针对土体基坑开挖变形规律展开，对岩体基坑开挖变形规律的研究还很少。本文利用ANSYS软件建立某大桥锚碇基坑的三维地质概化模型，导入FLAC3D中对锚碇基坑开挖全过程进行数值仿真，分析锚碇基坑开挖过程中的应力变形规律，验证工程设计条件与设计参数，探讨锚固措施的实施效果，为锚碇基坑支护设计方案论证提供科学依据。

1 工程概况

某大桥锚碇区位于山脊顶部较平缓区域，北东侧、南西侧均为斜坡，地面分布高程233～238 m，地表多为基岩出露，局部覆盖厚度1.1～2.5 m的粉质黏土，部分屋基位置覆盖厚度2.6～3.0 m的素填土，锚碇区基岩岩体较完整，为沙溪庙组粗砂岩、砂岩、页岩、砂质泥岩。锚固部基坑开挖后，边坡主要出现在西侧、北侧、东侧及南侧，边坡高度8.7～42.9 m，主要为粗砂岩、砂岩、页岩、砂质泥岩组成的岩质边坡。

在锚碇基坑开挖过程中，基坑边坡岩层的接触面临空，坡角增大到63.5°（见图1），考虑到构造裂隙、开挖坡面、岩层面的切割，基坑边坡上可能会发生块体稳定问题；并可能因坡角增大发生沿岩层层面的滑动。基坑边坡可能的变形破坏模式有：由于岩体节理、层面、各种裂隙切割形成的楔形体的滑移和局部块体掉块、崩塌、顺层面滑动以及沿覆盖层内部发生局部沿弧形滑裂面的滑动，层面的抗剪强度是控制基坑边坡稳定的关键因素。

图1 锚碇基坑边坡地质剖面图

2 三维有限计算模型及参数

2.1 锚碇基坑三维地质概化模型

三维建模比较复杂，需要进行工程地质概化。鉴于锚碇区地层层面基本平行、走向一致，锚碇基坑三维计算模型参照地质剖面图，将地层分界面简化为相互平行的平面。考虑到强风化线埋深较浅，将强风化层归入覆盖层，覆盖层概化厚度为5 m。

以锚碇基坑底面中心为坐标原点构建计算模型坐标系，X轴平行于桥轴线方向，以指向基坑所在岸方向为正；Y轴垂直于桥轴线方向，向北偏东向延伸为正向；Z轴为竖直方向，向上为正。

模型计算范围：X轴方向和Y轴方向以锚碇基坑中心为原点，向周边各延伸250 m，模型平面尺寸为500 m×500 m；Z轴方向从高程0 m至地表。

计算模型采用四面体、五面体和六面体混合网格单元进行离散，共划分单元162 627个、节点30 000个，三维网格见图2。计算模型底面固定，4个侧面为法向位移约束，地表为自由面。

图2 锚碇基坑地质概化模型网格划分图

2.2 锚碇区岩土体本构模型及力学计算参数选取

视锚碇区岩土体为弹塑性体，采用弹塑性本构模型。屈服准则为Mohr-Coulomb准则［8］。

锚碇基坑开挖应力变形分析计算参数中覆盖层参数根据工程经验取值，由于强风化线埋深较浅，将强风化岩体并入覆盖层，对于对边坡稳定起控制作用的中风化岩体，采用改进的GSI方法［9-10］对其抗剪强度参数进行估计。结合大桥详细勘察报告中对结构面参数的取值，采用工程类比法及改进的GSI方法对该计算域岩土体计算参数综合分析，确定锚碇基坑应力变形分析计算参数取值如表1所示。

表1 锚碇基坑应力变形分析计算参数取值

2.3 计算工况

根据地勘报告附平面图，平行桥梁轴线取3个结果提取剖面，分别为桥梁轴线的Q2剖面，向Y轴正、负各移动12.7 m的Q3和Q1剖面，垂直桥梁轴线方向分别取2-2和32-32剖面。

为了解锚碇基坑在开挖过程中的变形规律，在每个锚碇基坑坡面选取若干个位移监测点，分别为基坑底部中点、基坑每一侧边坡每一级开挖平台上的一点，因模型以垂直桥轴线、向北偏东向延伸为Y轴正向，监测点以“中点”“北1”“东1”“南2”等方式命名，其中“北”指Y轴正向，数字代表第几开挖步揭露的平台，由于新田岸及高峰岸均为6步开挖，基坑底部即6层。锚碇基坑位移监测点位置见图3。

图3 锚碇基坑位移监测点示意图

设计方案见图4。采用喷10 cm厚C20混凝土以及2 m间距布置4 m长锚杆的方法对锚碇基坑进行坡面支护。

图4 N2-N3方向基坑边坡支护结构示意图

根据设计方案，对基坑分6级开挖，具体分级见表2。

表2 锚碇基坑三维应力变形分析施工步设置

3 基坑开挖力学变形模拟结果分析

3.1 应力分析

基坑开挖后应力分布情况见图5，受篇幅限制，只列举整个基坑最大主应力和最小主应力的分布图。基坑开挖后，应力分布比较均匀，在转角处覆盖层与岩体接触的部位局部分布有少量拉应力，最大拉应力为321 kPa，其余区域以压应力为主。

图5 基坑开挖后应力分布

3.2 变形分析

基坑开挖后变形分布见图6。图7为各监测点位移随开挖变化曲线。为节省篇幅，只列举基坑北部各监测点在每个开挖步下各向位移。基坑各开挖步变形极值见表3。从图7和表3可见，锚碇基坑开挖后，整体变形以向上为主，最大位移出现在底板，回弹最大值约10 mm，各监测点Z向变形最大值比较接近，总的规律是：随着监测点深度增加，开挖后Z向变形变大。受地形、开挖形式和支护措施的影响，水平向变形分布较复杂，规律性不强，总的来看，锚碇基坑呈南北狭长形，X向（东西向）变形要大于Y向（南北向）。

图6 基坑开挖后变形分布

图7 基坑北部各监测点位移随开挖变化曲线

表3 基坑各开挖步变形极值

3.3 塑性区分析

基坑各开挖步塑性区体积变化见图8，图9为基坑开挖后塑性区分布。

图8 各开挖步塑性区体积变化示意图

图9 基坑开挖后塑性区分布

因为表层覆盖层抗剪强度较低，基坑开挖后产生临空面，在坑口周围的覆盖层内分布有塑性区，随着基坑开挖，部分塑性区岩体被挖除，塑性区整体体积有所减少。基坑内部岩体整体情况良好，仅在未施加支护的坑底、平台和马道上分布有零星的塑性区。

3.4 支护结构分析

基坑开挖后支护锚杆轴力及应力分布见图10～11，混凝土衬砌结构弯矩分布见图12。

图10 支护锚杆轴力分布

图11 支护锚杆应力分布

图12 混凝土衬砌结构弯矩分布

基坑开挖后，锚杆受力以拉应力为主，在4级平台以上局部有受压锚杆。锚杆最大拉力1.53 kN，最大拉应力4 MPa，受力很小，混凝土衬砌结构弯矩0.3 kN·m，整体受力情况良好。

4 结 论

根据地勘成果，结合相关规范，并利用工程类比法和经验方法初步确定锚碇区岩土体物理力学参数；根据锚碇的设计方案，采用三维有限差分方法分析了锚碇基坑开挖过程中的应力变形规律。

1）基坑开挖期间，岩体应力分布较规律，拉应力区域范围较小，量值不大，岩体受力情况良好。

2）基坑开挖过程中，岩体主要向临空面变形，最大变形量为10 mm。

3）基坑开挖后因产生临空面，在坑口周围的覆盖层内分布有塑性区，随着基坑开挖，部分塑性区岩体被挖除，塑性区整体体积有所减少。

4）基坑边坡岩体稳定性良好，支护结构内力较小，远低于锚杆设计承载力。