滑坡地帶深基坑開挖有限元數(shù)值分析——以重慶萬州萬達廣場工程為例

張繼川，石立國，張茅

（中國建筑第二工程局有限公司西南分公司，重慶 400021）

0 引言

深基坑開挖不僅要保證基坑本身的安全與穩(wěn)定，而且還要有效地控制由于基坑施工引起的變形及其對周圍環(huán)境的影響，研究深基坑開挖變形規(guī)律及其控制技術(shù)，對于深基坑的設(shè)計施工具有重要的指導(dǎo)意義[1-2]。

西部山區(qū)土地資源貧乏，人們?yōu)榱撕侠淼乩猛恋刭Y源經(jīng)常在邊坡上修筑各類建筑物與構(gòu)筑物。在斜坡體上開挖深基坑的力學(xué)原理較為復(fù)雜，在設(shè)計計算過程中不但需要考慮基坑自身的穩(wěn)定問題，還需要考慮基坑開挖對滑坡體的影響，對于滑坡地帶的深基坑開挖技術(shù)在國內(nèi)外研究資料較少[3]。

目前對深基坑穩(wěn)定性計算常常采用極限平衡法與有限元法[4]。極限平衡法計算簡單，但不能計算基坑的位移，不能考慮施工的整個過程，因此常常用于簡單基坑的計算。近年來，考慮支護結(jié)構(gòu)和土體共同作用的二維、三維有限元分析[5]也被廣泛采用。陸新征[6]考慮支護結(jié)構(gòu)和土體之間的相互作用，對基坑進行了施工全過程的三維有限元彈塑性分析和模擬。沈磊[7]總結(jié)模擬施工開挖全過程的三維有限元分析模型，分析總結(jié)了長峰商城超大深基坑逆作法施工地下連續(xù)墻水平變形和基坑周邊地表土體沉降特征。

本文以重慶市萬州區(qū)和平廣場滑坡地帶深基坑開挖工程為例，結(jié)合有限元數(shù)值模擬方法，采用ABAQUS有限元軟件，研究了滑坡地帶深基坑開挖變形控制理論及其加固方法。計算結(jié)果表明:抗滑樁及抗滑鍵加固可以有效地減弱上部結(jié)構(gòu)的沉降及滑動效應(yīng)，能減小基坑開挖對整體結(jié)構(gòu)土層以及支護樁產(chǎn)生的內(nèi)力變化效應(yīng)，也能減少抗滑樁產(chǎn)生的內(nèi)力及位移變化效應(yīng)。

1 滑坡地帶深基坑開挖數(shù)值模擬

1.1 問題描述

重慶萬州萬達廣場工程位于重慶市萬州區(qū)和平廣場滑坡堆積體內(nèi)的南部，地處長江左岸與其一級支流苧溪河交匯處，為長江三峽工程庫區(qū)重點勘察防治的“四大滑坡”之一，屬三峽庫區(qū)列入規(guī)劃必須治理的地質(zhì)災(zāi)害體。

擬建場地位于重慶市萬州區(qū)和平廣場馮家院片區(qū)，處于重慶市萬州區(qū)和平廣場滑坡堆積體內(nèi)的南部（見圖1）。和平廣場堆積體是以崩滑堆積為主，坡積、河流沖積為輔混合形成的。堆積體呈橫長型，前緣高程108～147m，后緣高程210～215m，橫長2.5km，面積105萬m2，總體積1950萬m3。 該滑坡體上建筑物密集，荷載較大。本文利用ABAQUS數(shù)值分析軟件，研究了滑坡地帶深基坑開挖的力學(xué)響應(yīng)，分析了滑坡體上深基坑開挖對坡面建筑物的影響及其加固措施，從而提出基于變形可控的滑坡地帶深基坑開挖及其治理方法。

圖1 基坑施工總體規(guī)劃圖

1.2 變形體物質(zhì)組成差異

根據(jù)地質(zhì)勘查，變形體物質(zhì)組成差異如下:

上部人工填土厚度0.8～4.10m；下部粉質(zhì)粘土為崩坡積土滑坡堆積層，塊、碎石含量較高，其厚度2.46～27.20m；基巖為砂質(zhì)泥巖、砂泥巖互層。

1.3 模型材料參數(shù)

實體部件包括基巖、土體、擋墻和混凝土支護樁及抗滑樁。其中基巖、混凝土擋墻，混凝土支護樁和抗滑樁定義為彈性材料；土體不僅考慮其彈性形變，還需考慮土體本身的內(nèi)摩擦角及粘聚力，故同時考慮彈性及摩爾—庫侖模型。

基巖:密度2200kg/m3，楊氏彈性模量E=200MPa，泊松比0.25。

混凝土材料:密度2400kg/m3，楊氏彈性模量E=300MPa，泊松比0.2。

土體:密度1950kg/m3，楊氏彈性模量E=20MPa，泊松比0.25。 粘聚力c=20kPa，內(nèi)摩擦角20°。

1.4 有限元模型

依據(jù)地形地貌圖，采取典型剖面，借助ABAQUS有限元軟件，建立有限元模型，其中:土體、基巖和擋土墻、樁部件均采用Hex-Structure的網(wǎng)格劃分，單元類型采用C3D8I（8節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元），線性非協(xié)調(diào)模式單元只在中心存在一個積分點，通過外插值和平均后得到節(jié)點應(yīng)力。

1.5 邊界和荷載條件

1.5.1 接觸邊界條件

(1)位移約束條件:分別約束土體、基巖在縱橫斷面的縱向位移U1和橫向位移U3，約束基巖底面的三個方向位移U1、U2、U3。

(2)接觸邊界條件:巖石和土層之間施加接觸邊界條件，并采用罰函數(shù)接觸算法計算巖石與土層之間的相互作用。

1.5.2 荷載條件

(1)重力荷載:對整個模型結(jié)構(gòu)施加重力，重力加速度為9.8m/s2。

(2)坡面附加荷載:采用均布荷載對坡面建筑物進行模擬，其荷載大小為200kN/m2。

1.6 計算工況

在開挖過程中采用分層、放坡開挖，開挖深度為20m，分為8層，每層開挖深度為2.5m，在開挖到10m時，在距支護樁8m的位置采用1:1的放坡開挖，如圖2。

圖2 滑坡帶深基坑開挖示意圖

在計算中，分別采用基坑支護樁加固；基坑支護樁+雙排抗滑樁加固；基坑支護樁+雙排抗滑樁+雙排抗滑鍵加固的方式分別進行計算，從而通過比較給出最優(yōu)加固方式。

2 計算結(jié)果分析

2.1 Mises內(nèi)力對比分析

平衡地應(yīng)力后，開挖所造成的整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化云圖如圖3所示?？芍?，開挖所造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化主要發(fā)生在上緣已建成的建筑物作用外荷載的區(qū)域內(nèi)，尤其是最上部階梯狀土層范圍內(nèi)。

圖3 支護樁工況基坑開挖滑坡體Mises內(nèi)力云圖

圖4給出抗滑樁支護基坑開挖滑坡體Mises內(nèi)力云圖可知，開挖所造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化主要發(fā)生在上緣已建成的建筑物作用外荷載的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)采用抗滑樁支護時，抗滑樁可以有效地加固樁后滑坡體，相比于沒有抗滑樁加固的情況，整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化值略微減小。

圖4 支護樁+抗滑樁工況基坑開挖滑坡體Mises內(nèi)力云圖

由圖5可以看出，打入埋入式抗滑鍵以后，上部已建成建筑物所在處土體產(chǎn)生的內(nèi)力變化相對于前面兩種情況有所減小，而抗滑鍵與基巖接觸部分會產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中效應(yīng)。由此可知，抗滑鍵對整體結(jié)構(gòu)的滑動起到了一定的抵抗作用。

圖5 支護樁+抗滑樁+抗滑鍵工況基坑開挖滑坡體Mises內(nèi)力云圖

2.2 位移對比分析

圖6給出了3種工況下的支護樁頂水平位移與開挖深度的關(guān)系曲線，可以看出:隨著開挖深度的增加，支護樁頂水平位移逐漸增大，當(dāng)開挖深度達到放坡開挖深度時（10m），支護樁頂水平位移增加緩慢，逐漸趨于平穩(wěn)；三種工況下支護樁頂水平位移數(shù)量級發(fā)生改變，即支護樁加固工況支護樁頂水平位移為23cm，支護樁+抗滑樁工況支護樁頂水平位移為25mm，支護樁+抗滑樁+抗滑鍵工況支護樁頂水平位移為4mm。這說明經(jīng)過抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的加固，能有效控制支護樁頂水平位移。

圖6 三種工況下支護樁頂水平位移關(guān)系曲線

圖7給出了2種工況下的抗滑樁頂水平位移與開挖深度的關(guān)系曲線，可以看出:采用抗滑樁+抗滑鍵加固可以有效的減小抗滑樁頂水平位移，且2號樁頂位移大于1號樁頂位移。

圖7 抗滑樁頂水平位移關(guān)系曲線

圖8給出了3種工況下的坡面水平位移與距基坑距離的關(guān)系曲線，可以看出:隨著距基坑距離的增大，坡面水平位移逐漸減小，且經(jīng)過抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的加固，能有效控制基坑開挖時上坡面建構(gòu)筑物的水平位移?？够瑯?抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的控制效果最優(yōu)。

圖8 三種工況下距基坑距離-坡面水平位移關(guān)系曲線

3 結(jié)論

萬州萬達廣場深基坑開挖過程對上部已建成建筑物會產(chǎn)生一定的影響，為減弱上部結(jié)構(gòu)的沉降及滑動效應(yīng)，相應(yīng)的進行了抗滑樁及抗滑鍵加固。

通過分析我們發(fā)現(xiàn)，對于整體結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力的變化主要集中在上部已建成建筑物所在點下部的土層內(nèi)，由于該區(qū)域上部直接受到了外荷載作用，所以開挖產(chǎn)生的影響在該區(qū)域相對明顯。

土層產(chǎn)生的位移以沿著坡面的滑動為主，產(chǎn)生的沉降效應(yīng)相對是次要的?；瑒用娉驶睿诰嚯x開挖區(qū)50m范圍以內(nèi)尤為明顯，而上層已建成建筑物的區(qū)域受到開挖產(chǎn)生的位移影響相對較小。

經(jīng)過抗滑樁和抗滑樁+抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的加固，能有效控制基坑開挖時上坡面建、構(gòu)筑物的水平位移?？够瑯?抗滑鍵組合結(jié)構(gòu)的控制效果最優(yōu)。

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[3]石立國，張茅，余德浩，等. 重慶萬州萬達項目滑坡地帶基坑開挖土體變形控制技術(shù)研究 [J].重慶建筑，2012(12):4-6.

[4]楊光華.深基坑支護結(jié)構(gòu)的實用計算方法及其應(yīng)用[M].地質(zhì)出版社，2004.

[5]孫鈞，汪炳監(jiān).地下結(jié)構(gòu)有限元法分析[M].上海:同濟大學(xué)出版社，1988.

[6]陸新征，宋二祥，吉林，等. 某特深基坑考慮支護結(jié)構(gòu)與土體共同作用的三維有限元分析 [J].巖土工程學(xué)報，2003，25(4):488-491.

[7]沈磊，陸余年，岳建勇.超大深基坑變形特征的數(shù)值模擬及其實測分析 [J].地下空間與工程學(xué)報，2005，1(4):538-542.