支护参数对沟槽基坑位移变形敏感性的影响

崔飞飞,王振峰

(陕西国防工业职业技术学院,西安710300)

基坑工程的边界条件及周围环境越来越复杂,要求也越来越高,单纯的定性分析已经无法满足工程要求,尤其是在软土埋藏较浅地段开挖基坑时,会极大增加土体的蠕变、失稳、不均匀变形等可能性,对基坑本身及场地周围已有的建构筑物安全造成不利影响[1],因此需在实际工程中进行基坑开挖全程模拟,使力学分析由传统的定性分析、半定量分析转变为定量分析,找出不同参数变化对目标结果的影响[2]。

有限元分析具有动态且三维的模拟特点,可进行基坑开挖全程模拟,通过建立实际的工程模型,利用边界条件、施工条件、力学参数的简化,能够准确得出支护结构不同参数变化时的基坑整体变形情况[3]。基坑抗倾覆、抗隆起、周边沉降是影响安全性与结构性的重要评价指标[4],以某市政工程箱涵开挖为例,采用迈达斯有限元分析,研究多级放坡+钢板桩+钢支撑方案下结构参数变化对基坑整体变形的影响。参数变化如表1所示。

表1 多级放坡+钢板桩与钢板桩+钢支撑试验参数

1 有限元模型的建立

1.1 多级放坡开挖方式

多级放坡方案混凝土垫层厚度20 cm,采用C15混凝土,材料特性根据设计材料及现场工程经验选取,开挖模拟步骤使用地应力分析生成初始应力场,开挖至基坑-5 m深,再开挖到-10 m深。

1.2 钢板桩+钢支撑开挖方式

钢板桩采用FSP-Ⅳ型钢板桩,型号为400×170,长度为18 m,钢支撑采D609×16规格,钢支撑间距为3.5 m。开挖模拟步骤使用地应力分析生成初始应力场,开挖至基坑-5 m深,激活拉森钢板桩,再开挖至-10 m深。

1.3 基坑模型的建立

基坑最大开挖深度为10 m,模型Z方向取30 m,x、y方向根据实际工程情况取值,x方向取137 m,y方向取105 m,即模型尺寸为137 m×105 m×30 m。为了简化模型的建立,原土层自上而下依次为素填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土夹粉质黏土。建立的有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型的建立

2 有限元模拟结果

2.1 不同方案下的深层水平位移

图2、图3给出了两种方案下参数变化的深层水平位移曲线。通过图2可以看出,改变基坑持力层参数及基坑宽度与深度,地表以下18 m的深层土体水平位移变化规律一致,均随着深度的变化而逐步增大。基坑深度为5 m时,其水平位移在-6 m以上位置最大,但在-6 m深度以下,基坑的水平位移变化急剧减小,且小于其他参数的变化,说明改变基坑深度对基坑水平位移的影响相较于宽度与地质的改变影响大。对比B=30 m、10 m、3 m时,水平位移均在-6 m位置处有个拐点,通过对比同一深度下的水平位移发现,改变基坑宽度后,在-6 m以上位置深层水平位移会有较大的改变,在-6 m以下改变宽度对水平位移的影响渐小。而改变地质参数对于基坑深层水平位移在不同深度下的影响不会发生太大的变化。

图2 多级放坡下的基坑深层水平曲线

图3 钢板桩+钢支撑下的基坑深层水平曲线

通过图3可以看出,钢板桩支护不同方案下的深层水平位移曲线同样在-6～-8 m存在拐点,水平位移在拐点处最大。对比C=19 kpa改变地质参数的情况看出,钢板桩支护对水平位移有着明显的影响,水平位移大小要远小于原方案C=12 kpa的情况。对比基坑宽度B=30 m、10 m、3 m时看出,当减小基坑宽度后,在拐点以上位置处对水平位移影响不明显,在拐点位置以下,位置宽度的减小能够明显减小水平位移大小,且宽度越小深层水平位移越小,说明宽度的改变对基坑深层位置处的影响较大,对地表位置处的影响较小。改变基坑深度,通过对比B=30 m及L=5 m的方案可以看出,基坑深度的减小能够明显减小不同深度下的基坑水平位移,与放坡开挖得出的规律一致。

2.2 不同方案下的应力

对模型的应力对比选取了纵向20 m的变化区间进行分析,通过有限元模拟两种方案下的应力变形情况。图4给出了不同方案下的C=12 kpa、φ=6°、B=30 m、L=5 m的应力变形云图,其他云图变化与图4一致。通过对比发现,放坡开挖方案中,当基坑上部荷载与宽度、深度一致时,改变基坑底部持力层土层参数对基坑周边地表沉降及坑底隆起位移大小影响不大,这是因为当基坑底部持力层承载力均满足上部结构时,由于其受力面积一致,周边位移仅受到上部荷载的作用,与改变下部结构无关。当持力层参数与基坑深度一定时,基坑底部隆起位移及周边位移在一定范围内均随着基坑底部宽度的减小而增大,其在基坑纵向的影响变化不会随宽度的改变而改变。改变基坑深度,对周边位移影响较小,随着深度的加大,坑底位移会变大。

图4 不同方案下的应力变形云图

对于拉森钢板桩来说,通过改变支护方案对周边底部及基坑隆起位移影响较大。改变基坑底部持力层土层参数对基坑周边地表沉降及坑底隆起位移大小影响不大。改变基坑宽度,对周边位移影响较小,随着宽度的减小,基坑底部隆起逐步减小,当宽度为3 m时,可以看出,底部位移基本不会发生太大改变。降低基坑开挖深度能够明显减小基坑的隆起现象,当深度为10 m时,基坑30 m宽范围内基本都会发生不同程度的变形,当深度为5 m时,基坑隆起现象基本发生在基坑中心附近,说明开挖条件允许情况下,适度减小基坑深度能够有效避免基坑的鼓包现象。

2.3 支护参数改变对基坑稳定影响的敏感性对比

敏感性分析是分析系统稳定性的一种方法,参数敏感性分析方法包括单因素分析法与多因素分析法。单因素敏感性分析方法的原理是选定一个目标函数,使其中一个因数改变,假设其他因素恒定不变,对同一个目标值进行比较,通过比较因素变化时目标值的变化幅度,得到各个参数的敏感性大小。这种方法虽然直观且计算过程简单,但是假定其他因素在其中一个因素变化时是恒定的,这与实际工程不符[5]。为了减少实验次数,采取单因素分析法进行多参数敏感性分析,建立实验表方法挑选试验条件,通过较少的试验次数迅速找到最优方案,这是一种处理多因素优化参数敏感性分析的有效方法。

通过放坡开挖与拉森钢板桩云图的周边地表及基坑底部隆起对比发现,当地质参数变化时,地质参数同为C=19 kpa、φ=10°、B=30 m、L=10 m时,拉伸钢板桩方案的地表隆起范围及大小均小于放坡开挖方案,但是由于钢板桩支护的开挖面积较小,故而对周边土体位移影响较大。

改变基坑宽度B=30 m、10 m、3 m时,不同宽度下钢板桩方案基坑底部隆起影响均优于放坡开挖,但由于钢板桩支撑相对于放坡开挖的施工难度较大,设计时需考虑周边环境及受力大小。

改变基坑深度,在一定宽度范围内两者对周边位移的影响相差不大,但钢支撑方案同样能够大幅度减小基坑底部的隆起现象。

3 结论

探讨了在指定地质条件下采用多级放坡+钢板桩与钢板桩+钢支撑两种支护方案的效果,并分别进行单种施工工艺的5种有限元仿真实验,对结果进行比对,展开敏感性分析实验,在有限元软件中分阶段对基坑底部隆起及深层水平位移曲线规律进行研究。结果表明,从对周边地表沉降的影响来看,方案一对于周边环境影响小于方案二,但最终沉降大于方案二。从对基坑底部隆起的影响来看,方案一基坑底部土体竖向位移的变化程度小于方案二,而竖向位移的最大值大于方案二。两种方案在基坑底部边缘的竖向位移相对严重,施加混凝土垫层对减弱基坑底部隆起有积极作用。从施工挖土方量来看,方案二明显大于方案一。针对5种实验方案对影响基坑的3个因素的不同水平进行敏感性分析,依次为沟槽深度L>沟槽宽度B=30>土力学参数C、φ,说明沟槽深度L为相对主要因素,宽度为相对次要因素,黏聚力/内摩擦角影响较小。