不同逆作法深基坑支护结构参数基坑结构变形研究

严建平

(新疆水发建设集团有限公司库木苏项目部,新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

基坑工程是岩土工程领域重要与难点工程领域,其设计与施工方法的研究一直以来是工程领域的研究热点,伴随着我国基础设施建设进程的持续加快,以逆作法深基坑为代表的深基坑施工方法不断发展,促进了基坑工程建设水平的不断提高[1-2]。深基坑逆作法施工在降低基坑施工变形和节约工期等发挥重要作用,基坑工程中地连墙是重要的施工结构,对维护逆作法深基坑的工程稳定性具有重要意义[3]。

逆作法深基坑中地连墙是重要的支护结构,地连墙支护参数对逆作法深基坑变形和受力特征具有重要影响,因此,研究地连墙支护参数对逆作法深基坑变形具有重要意义。本文以逆作法深基坑中地连墙结构为研究对象,分析不同逆作法深基坑地连墙支护参数对深基坑变形影响规律。

1 逆作法深基坑数值模型

1.1 逆作法深基坑模型

为分析逆作法深基坑地连墙结构参数对基坑变形的影响特征,通过建立逆作法深基坑有限元数值分析模型,研究逆作法深基坑地连墙插入比、地连墙厚度和地连墙刚度等参数的影响。为消除边界效应的影响,逆作法深基坑数值模型尺寸为350 m×170 m×55 m,地连墙深度为30 m。逆作法深基坑数值模型的边界条件设置为数值模型底部限制竖直和水平的位移,模型顶部为自由边界,逆作法深基坑模型左右两侧限制水平方向位移,模型前后两侧限制水平方向位移。逆作法深基坑模型荷载施加仅考虑自重应力的影响,模型构建后赋予不同地层参数,同时,进行模型初始应力平衡。

本构模型是逆作法深基坑数值分析的关键,根据岩土工程材料的特性,逆作法深基坑数值模型地连墙结构参数分析选择采用Mohr-Coulomb强度准则。逆作法深基坑地层主要包含四层,各个地层的力学参数,如表1所示,支护结构力学参数主要混凝土和钢支撑材料,混凝土重度为25.0 kN/m3、弹性模量为25.0 GPa和泊松比为0.2,钢支撑材料重度为78.0 kN/m3、弹性模量为220 GPa和泊松比为0.3。

表1 材料的物理力学参数

1.2 逆作法深基坑分析工况

根据地连墙的主要参数,逆作法深基坑分析工况主要考虑了地连墙插入比、地连墙厚度和地连墙刚度等参数的影响。逆作法深基坑地连墙插入比主要是考虑地连墙嵌入到开挖基坑底部以下的长度,地连墙插入比定义为嵌入到开挖基坑底部以下的长度与基坑深度的比值,地连墙插入比的取值范围为0.5～1.2,共设置0.5、0.6、0.8、1.0和1.2等5种工况。地连墙厚度是逆作法深基坑支护结构的重要参数,地连墙插入比和地连墙刚度保持一致,地连墙厚度共设置0.6、0.8、1.0、1.20和1.40 m等5种工况。地连墙刚度对逆作法深基坑支护结构的稳定性具有重要影响,是影响逆作法深基坑围护结构的重要因素,地连墙插入比和地连墙厚度保持一致的条件下,地连墙刚度共设置分别为5.6×109kN/m-2、6.3×109kN/m-2、7.5×109kN/m-2和、8.6×109kN/m-2等4种工况。

2 逆作法深基坑数值模型

2.1 地连墙插入比结果

为分析逆作法深基坑地连墙对基坑结构的变形影响,地连墙插入比的影响重点分析了逆作法深基坑施工导致的地连墙最大水平位移、地表沉降和基坑隆起等变形指标,根据逆作法深基坑不同地连墙插入比数值分析结果,如表2所示。

表2 不同地连墙插入比变形指标

根据表2不同地连墙插入比变形指标结果,当地连墙插入比由0.5增大至1.2时,基坑开挖施工影响范围内,最大地表沉降值由42.50 mm降低到35.50 mm,减小约16.47%,随着地连墙插入比的逐渐增大,对基坑周围地表的变形控制能力不断增强,由于逆作法深基坑施工产生的地表沉降值也逐渐减小。根据表2中不同地连墙插入比条件下最大基坑坑底隆起结果,随着地连墙插入比逐渐增加,最大基坑坑底隆起值也逐渐减低,地连墙嵌入到开挖基坑底部以下的长度越大,对基坑坑底土体变形控制能力越强,当地连墙插入比由0.5增大至1.2时,在基坑开挖施工的影响范围内,逆作法深基坑最大基坑坑底隆起值由151.60 mm减小至120.30 mm,减小约20.65%。根据表2中不同地连墙插入比条件下地连墙最大水平位移结果,随着地连墙插入比逐渐增加,地连墙最大水平位移值也逐渐减低,地连墙嵌入到开挖基坑底部以下的长度越大,提高了地连墙抵抗变形能力,当地连墙插入比由0.5增大至1.2时,在基坑开挖施工的影响范围内,逆作法深基坑最大基坑坑底隆起值由45.20 mm减小至36.10 mm,减小约20.13%。不同地连墙插入比与变形指标拟合关系,可以得到地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑坑底隆起值与地连墙插入比符合指数函数变化关系,结果显示拟合精度较高,因此,可以采用指数定量关系对不同地连墙插入比的变形特征进行预估分析。

2.2 地连墙厚度结果

为研究不同逆作法深基坑地连墙厚度对基坑结构的变形影响,以逆作法深基坑地连墙最大水平位移、地表沉降和基坑隆起为变形指标,根据逆作法深基坑不同地连墙厚度数值分析结果,如表3所示,分析不同地连墙厚度对基坑结构的变形影响。

表3 不同地连墙厚度变形指标

根据表3不同地连墙厚度变形指标结果,整体上,随着逆作法深基坑地连墙厚度的增大,地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑隆起值均呈现逐渐减小的趋势,但降幅略有差异。当地连墙厚度由0.6增大至1.40时,基坑开挖施工影响范围内,最大地表沉降值由36.50 mm降低到31.30 mm,减小约14.25%,地连墙厚度的增加提高了地连墙强度,使得对临近地表的影响在一定成程度上减弱。当逆作法深基坑地连墙厚度由0.6增大至1.40时,基坑开挖施工影响范围内,最大基坑坑底隆起值由115.60 mm降低到103.70 mm,减小约10.3%,地连墙厚度的增加减弱了基坑开挖应力解除后,坑底土体的快速变形与强度。当逆作法深基坑地连墙厚度由0.6增大至1.40时,基坑开挖施工影响范围内,地连墙最大水平位移值由45.10 mm降低到33.60 mm,减小约25.5%,地连墙厚度的增加提高了地连墙强度,使得地连墙变形能力增强,随着地连墙厚度增加,地连墙水平位移逐渐减小。不同地连墙厚度与变形指标拟合关系,可以得到地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑坑底隆起值与地连墙厚度符合线性函数变化关系,结果显示拟合精度较高,因此,可以采用线性定量关系对不同地连墙厚度的变形特征进行预估分析。

2.3 地连墙刚度结果

为分析逆作法深基坑地连墙刚度对基坑结构的变形影响,逆作法深基坑变形指标包括地连墙最大水平位移、地表沉降和基坑隆起等,提取逆作法深基坑不同地连墙刚度数值分析结果,如表4所示。

表4 不同地连墙刚度变形指标

根据表4不同地连墙刚度变形指标结果,随着逆作法深基坑地连墙刚度的增大,逆作法深基坑围护结构变形能力增强,地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑隆起值均呈现逐渐减小的趋势,地连墙刚度对不同变形指标的影响程度存在差异。当地连墙刚度由5.6×109kN/m2增大至8.6×109kN/m2时,基坑开挖施工影响范围内,最大地表沉降值由33.10 mm降低到26.50 mm,减小约19.9%,地连墙刚度的增加提高了地连墙抵抗变形的能力,地连墙刚度越大减弱了基坑土体向开挖空间变形的趋势。当逆作法深基坑地连墙刚度由5.6×109kN/m2增大至8.6×109kN/m2时,基坑开挖施工影响范围内,最大基坑坑底隆起值由135.20 mm降低到123.70 mm,减小约8.5%,地连墙刚度的增加使得土体变形趋势减缓,逆作法深基坑坑底土体变形也降低。当逆作法深基坑地连墙刚度由5.6×109kN/m2增大至8.6×109kN/m2时,基坑开挖施工影响范围内,地连墙最大水平位移值由46.20 mm降低到37.80 mm,减小约18.2%,随着地连墙刚度增加,地连墙水平位移逐渐减小。不同地连墙刚度与变形指标拟合关系,可以得到地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑坑底隆起值与地连墙厚度符合指数函数变化关系,结果显示拟合精度较高,因此,可以采用指数定量关系对不同地连墙刚度的变形特征进行预估分析。

3 结语

为研究逆作法深基坑重点支护结构地连墙参数对基坑变形的影响,分析了逆作法深基坑地连墙插入比、地连墙厚度和地连墙刚度等参数对逆作法深基坑变形的影响,主要研究结论包括:

(1)当地连墙插入比由0.5增大至1.2时,地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑隆起值均呈现逐渐减小的趋势,降幅分别为16.47%、 20.65% 和20.13%。根据不同地连墙插入比与变形指标拟合关系,地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑坑底隆起值与地连墙插入比符合指数函数变化关系。

(2)随着逆作法深基坑地连墙厚度的增大,地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑隆起值均呈现逐渐减小的趋势,降幅分别为14.25%、10.3%和 25.5%,不同地连墙厚度与变形指标拟合关系,可以得到地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑坑底隆起值与地连墙厚度符合线性函数变化关系。

(3)随着逆作法深基坑地连墙刚度的增大,地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑隆起值均呈现逐渐减小的趋势,降幅分别为19.9%、8.5%和18.2%,根据不同地连墙刚度与变形指标拟合关系,可以得到地连墙最大水平位移、最大地表沉降和最大基坑坑底隆起值与地连墙厚度符合指数函数变化关系。