臨近高架的基坑開(kāi)挖變形特性的數(shù)值分析

阮泳華

(上海上咨建設(shè)工程咨詢有限公司，上海 200003)

0 引言

隨著上海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，地下空間的利用越來(lái)越受到重視，帶動(dòng)的深基坑開(kāi)挖工程也迅速增多，新建工程往往距周邊建筑非常近，基坑開(kāi)挖引起周圍地表沉降、對(duì)臨近建筑的影響也越來(lái)越受到重視。

本文以上海某深基坑工程為例，借助專業(yè)巖土有限元分析軟件ZSoil建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)基坑開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)。通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析比較，總結(jié)了采用SMW工法樁進(jìn)行基坑維護(hù)設(shè)計(jì)的深基坑在施工中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力規(guī)律。

1 工程概況與工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本工程基坑面積約為4400m2，普遍開(kāi)挖深度約10m?；又苓叚h(huán)境條件較為復(fù)雜，基地四周主要鄰近高架下匝道結(jié)構(gòu)，保護(hù)難度以及重要性均較高，其平面圖如圖1所示。

基坑安全等級(jí)為二級(jí)，采用明挖順作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ850@600三軸水泥攪拌樁內(nèi)插H700×300×13×24型鋼，基坑豎向設(shè)置兩道鋼管支撐。

1.2 工程地質(zhì)資料

該基坑所處區(qū)域?qū)贋I海平原地貌，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，在基坑開(kāi)挖深度及影響范圍內(nèi)，各主要土層物理力學(xué)指標(biāo)及計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)及計(jì)算參數(shù)

1.3 基坑圍護(hù)方案

結(jié)合上海地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)、場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境條件，本基坑工程的圍護(hù)方案如下:

擋土體系采用φ850@600三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H700×300×13×24型鋼，普遍區(qū)域H型鋼插二跳一，并插入基底下12.5m，型鋼有效長(zhǎng)度22.5m，φ850@600三軸水泥土攪拌樁水泥摻量均為20%，采用套接一孔法施工。另外，基坑內(nèi)設(shè)置兩道鋼支撐，第一道支撐采用單鋼管支撐，采用φ609×16鋼管，Q235B鋼，第二道支撐中心線位于地表下5.8m，采用雙拼φ609×16鋼管，并設(shè)置雙拼 H700×300×13×24型鋼圍檁。

具體圍護(hù)形式見(jiàn)圖2。

2 數(shù)值計(jì)算模型介紹及參數(shù)說(shuō)明

2.1 工況定義及參數(shù)說(shuō)明

本次模擬計(jì)算以高架為主要研究對(duì)象，對(duì)如圖1所示的工程原型進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立平面有限元分析模型，計(jì)算斷面的支撐布置和土層分布等如圖2所示。

2.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

1)材料參數(shù)。

土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變硬化土(HSS)模型。該模型由Schanz(1998)和 Schanz等(1999)在 Vermeer(1978)的硬化土(HS)模型的基礎(chǔ)上，考慮了土體小應(yīng)變剛度的特性，加以改進(jìn)而獲得，具體參數(shù)如表1所示。

2)單元選擇。

計(jì)算過(guò)程中土體采用四節(jié)點(diǎn)等參單元，圍護(hù)墻體采用梁?jiǎn)卧尾捎枚U單元模擬。

2.3 計(jì)算模型及工況設(shè)置

模擬中所采用的計(jì)算工況參見(jiàn)實(shí)際施工工況，計(jì)算時(shí)，為模擬基坑開(kāi)挖，通過(guò)匹配被開(kāi)挖土體的卸載函數(shù)與堆土的加載函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 基坑變形分析

計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示，基坑開(kāi)挖第二層土體時(shí)，水平位移計(jì)算最大值為21.9mm，實(shí)測(cè)最大值為24.6mm;基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，水平位移計(jì)算最大值為36.3mm，距地面距離為9.7m，實(shí)測(cè)最大值為39.4mm，距地面距離為9.5m，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差不超過(guò)10%，計(jì)算結(jié)果表明:考慮土體小應(yīng)變剛度特性的HSS模型能夠更好地模擬基坑實(shí)際變形情況。

3.2 基坑開(kāi)挖對(duì)高架的影響

高架匝道側(cè)的基坑開(kāi)挖地表沉降曲線如圖4所示，從基坑開(kāi)挖地表沉降曲線可以看出，地表最大沉降量28.1mm，距基坑邊約3.1m，基坑開(kāi)挖的有效范圍約12m，與基坑到高架匝道基礎(chǔ)的距離基本接近，數(shù)值計(jì)算結(jié)果高架匝道沉降最大約0.04mm，最大側(cè)移約0.06mm，實(shí)測(cè)結(jié)果為0.07mm。從計(jì)算結(jié)果可以看出，雖然高架匝道距離基坑邊較近，但由于高架采用樁基礎(chǔ)，樁基進(jìn)入持力層較深，基坑開(kāi)挖對(duì)高架沉降變形較小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)上海某基坑抽象出的計(jì)算模型，采用HSS模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果表明:采用小應(yīng)變模型能較好的模擬基坑開(kāi)挖的變形特性以及基坑開(kāi)挖對(duì)高架變形的影響，對(duì)實(shí)際工程有一定的參考價(jià)值。

[1]董月英.深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響的有限元分析[J].西部探礦工程，2008(3):1-3.

[2]褚 峰，李永盛，梁發(fā)云，等.土體小應(yīng)變條件下緊鄰地鐵樞紐的超深基坑變形特性數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(S1):28-31.