工作井基坑開挖及吊裝全過程土體應(yīng)力路徑研究

歷朋林，朱士齊，劉 燕，曹 穎

(1.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101；3.濟(jì)南大學(xué) a.土木建筑學(xué)院，b.山東省城市地下工程支護(hù)及風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250022)

在基坑工程的施工過程中，開挖卸荷、架設(shè)支撐、坑頂?shù)跹b等作用導(dǎo)致基坑周圍土層應(yīng)力狀態(tài)變化復(fù)雜。土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不僅與當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，還依賴于過去和新近的應(yīng)力歷史以及應(yīng)力路徑等諸多因素，因此利用常規(guī)三軸加載試驗(yàn)獲得的參數(shù)進(jìn)行基坑設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬必然會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。研究[1-3]表明，在基坑開挖的典型卸荷條件下，土體產(chǎn)生剪應(yīng)力，使得主應(yīng)力軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并產(chǎn)生明顯的塑性變形，造成土體強(qiáng)度下降，宏觀上表現(xiàn)為土體力學(xué)響應(yīng)整體“軟化”，如果忽視該特點(diǎn)而采用傳統(tǒng)塑性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，風(fēng)險(xiǎn)性較大。這也是在實(shí)際基坑工程中，將開挖后周邊土體的變形量估計(jì)偏低而引起周邊環(huán)境問題的因素之一。

在深基坑開挖過程中，土體的應(yīng)力路徑問題目前已為人們所關(guān)注和重視[4-8]。曾國(guó)熙等[4]總結(jié)得出基坑被動(dòng)區(qū)土體單元側(cè)向荷載不變、豎向卸荷，而主動(dòng)區(qū)土體單元豎向荷載不變、側(cè)向卸荷的結(jié)論。劉國(guó)彬等[5]進(jìn)一步研究軟土基坑被動(dòng)區(qū)的土體應(yīng)力，認(rèn)為被動(dòng)區(qū)土體豎向卸荷時(shí)，側(cè)向荷載變化較復(fù)雜，可能不變或變大或變小，而坑外主動(dòng)區(qū)土體應(yīng)力路徑則與文獻(xiàn)[4]中的相同。吳宏偉等[6]對(duì)基坑卸荷應(yīng)力路徑進(jìn)行定性研究，發(fā)現(xiàn)被動(dòng)區(qū)土體有效應(yīng)力路徑等于室內(nèi)不排水伸長(zhǎng)試驗(yàn)的應(yīng)力路徑，而主動(dòng)區(qū)土體的應(yīng)力路徑不同于室內(nèi)不排水壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力路徑，但是袁靜等[7]認(rèn)為，基坑開挖中主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū)均處于卸荷狀態(tài)。何世秀等[8]通過真三軸試驗(yàn)?zāi)M基坑開挖坑周土體應(yīng)力路徑，結(jié)果表明，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在中主應(yīng)力影響下變陡，極限應(yīng)變減小，土體能承受更大的破壞應(yīng)力。應(yīng)宏偉等[9]提出了考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的三維應(yīng)力路徑，并指出有必要提出考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的基坑開挖典型應(yīng)力路徑，用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

本文中針對(duì)復(fù)雜應(yīng)力路徑的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)基坑分層開挖和吊裝施工全過程進(jìn)行模擬，獲取不同位置處土體單元在不同工況時(shí)的應(yīng)力路徑，研究土體單元變化規(guī)律，得出吊車荷載影響范圍。

1 工程背景

濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑寬度為36.6～52.4 m，長(zhǎng)度為150 m，覆土厚度約為3 m，底板埋深為26.2～31 m，最大挖深為31.2 m，順作法施工，屬深基坑，地層由上至下分別為填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。工作井附近地下水為第四系松散覆蓋層的孔隙潛水，埋深為1.10～2.80 m，含水層主要為人工填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等，主要受水庫(kù)、沉砂池、黃河以及降雨補(bǔ)給，排泄方式為徑流、蒸發(fā)及人工開采等。

基坑采用地連墻和內(nèi)支撐，地連墻厚度為1.2 m，深度為50 m，共設(shè)5道支撐，其中，第1、4道采用混凝土支撐，第2、3、5道采取鋼支撐。濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)平面及尺寸如圖1所示。

圖1 濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)平面及尺寸

2 考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力路徑描述

劉熙媛等[10]將基坑開挖階段周圍土體分為3個(gè)區(qū)域，在基坑開挖過程中，各區(qū)域土體的典型應(yīng)力路徑不相同，如圖2[10]所示。

圖2 基坑開挖影響區(qū)域劃分[10]

采用p、q、α這3個(gè)參數(shù)描述二維平面中土體單元的應(yīng)力狀態(tài)變化，其中p為平均壓應(yīng)力，q為廣義剪應(yīng)力，α為大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角，定義為大主應(yīng)力與豎直方向夾角，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的α值為正[9-10]，如圖3所示。

σ1—大主應(yīng)力；σ3—小主應(yīng)力；α—大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角。圖3 二維平面中土體單元的大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角示意圖

在二維分析中，通?？杉俣ㄖ兄鲬?yīng)力等于小主應(yīng)力，假設(shè)土體單元中某點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)為σ={σx,σy,τxy}，則

(1)

(2)

(3)

式中：σx為x方向的主應(yīng)力；σy為y方向的主應(yīng)力；τxy為xoy平面的切應(yīng)力。

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 模型建立

有限元整體模型尺寸為80 m×100 m(寬度×長(zhǎng)度)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻和內(nèi)撐，均采用一維梁?jiǎn)卧M，地連墻深度為50 m，厚度為1.2 m，梁?jiǎn)卧砻媾c土體單元表面采用帶(Tie)接觸，兩側(cè)限制模型水平位移，底部限制水平、豎向2個(gè)方向位移。土體采用修正劍橋模型，在吊裝階段采用QUY650型履帶吊，吊裝質(zhì)量為370 t的盾構(gòu)刀盤。履帶吊自重為775 t(包含機(jī)身自重、車身配重、中心壓重及超起平衡重)?；娱_挖階段遵循分層開挖分層支撐的施工順序，待底板施工完畢后開展吊裝工作。濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑的施工模擬工況如表1所示。

表1 濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑的施工模擬工況

3.2 本構(gòu)選取

F—坑頂?shù)跹b荷載，包括履帶吊荷載和盾構(gòu)刀盤荷載；A1、A2、B1、B2、C1、C2—選取的6個(gè)典型土體單元，具體位置坐標(biāo)分別為A1(16,100)、A2(16,90)、B1(16,72)、B2(16,52)、C1(5,72)、C2(10,72);xoy—平面直角坐標(biāo)系。圖4 濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑的施工模擬典型土體單元位置坐標(biāo)及編號(hào)

4 考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力路徑分析

4.1 主動(dòng)區(qū)

土體單元A1、A2位于支護(hù)墻體正后方的主動(dòng)區(qū)位置，圖5所示為濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑自基坑開挖到吊裝刀盤完成時(shí)土體單元A1、A2

p—平均壓應(yīng)力；q—廣義剪應(yīng)力；α—大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角；σy,0—基坑未開挖時(shí)土體單元的豎向應(yīng)力。圖5 濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑自基坑開挖到吊裝刀盤完成時(shí)土體單元A1、A2的應(yīng)力路徑

(a)A1單元

4.2 被動(dòng)區(qū)

p—平均壓應(yīng)力；q—廣義剪應(yīng)力；α—大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角；σy,0—基坑未開挖時(shí)土體單元的豎向應(yīng)力。圖7 濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑自基坑開挖到吊裝刀盤完成時(shí)土體單元C1、C2的應(yīng)力路徑

(a)C1單元

4.3 過渡區(qū)

p—平均壓應(yīng)力；q—廣義剪應(yīng)力；α—大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角；σy,0—基坑未開挖時(shí)土體單元的豎向應(yīng)力。圖9 濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑自基坑開挖到吊裝刀盤完成時(shí)土體單元B1、B2的應(yīng)力路徑

5 吊車荷載影響范圍分析

由應(yīng)力路徑分析可知，當(dāng)?shù)踯嚭奢d作用時(shí)，大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)現(xiàn)象，現(xiàn)取距吊車荷載水平距離分別為0、3、9、12、18、24 m的6個(gè)斷面，以每個(gè)斷面深度為縱坐標(biāo)，吊車荷載作用前后大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角差值為橫坐標(biāo)，繪制大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角差值分析圖，如圖11所示。根據(jù)大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角差值的大小，將荷載作用寬度為0～9 m、深度為0～12 m的范圍定義為主要影響區(qū)，深度約為荷載作用寬度的1.3倍。寬度為9～18 m、深度為12～20 m的范圍定義為次要影響區(qū)，寬度為18 m、深度為20 m之外的范圍定義為無影響區(qū)，各影響區(qū)土體單元大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角差值約為最終旋轉(zhuǎn)角的0～1/4。具體吊裝荷載影響范圍如圖12所示。

(a)B1單元

圖11 濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井基坑的吊裝完盾構(gòu)刀盤時(shí)6個(gè)斷面的大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角差值

6 結(jié)論

本文中以濟(jì)南市黃河隧道盾構(gòu)始發(fā)工作井為研究實(shí)例，運(yùn)用有限元分析軟件ABAQUS，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程，分析不同區(qū)域、不同施工工況時(shí)土體單元的大、小主應(yīng)力及大主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)情況，得出以下主要結(jié)論：

F—坑頂?shù)跹b荷載，包括履帶吊荷載和盾構(gòu)刀盤荷載。圖12 吊車荷載影響范圍示意圖

1)與傳統(tǒng)二維應(yīng)力路徑平均壓應(yīng)力—廣義剪應(yīng)力相比，考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，三維應(yīng)力路徑平均壓應(yīng)力—廣義剪應(yīng)力—大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角更能具體反映不同土體單元不同工況時(shí)的應(yīng)力路徑狀態(tài)。

2)在基坑開挖階段，坑底土體單元主要為豎向卸荷，卸荷前豎向應(yīng)力為大主應(yīng)力，開挖后豎向平均壓應(yīng)力不斷減小，廣義剪應(yīng)力不斷增大，大主應(yīng)力軸發(fā)生較大角度的旋轉(zhuǎn)；而坑外土體單元以側(cè)向卸荷為主，大主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)較小。

3)坑內(nèi)土體單元大主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)明顯，隨著基坑的開挖，大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角呈階躍式增大，缺少中間過渡階段，最終大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角接近90°，并且旋轉(zhuǎn)程度呈現(xiàn)空間性特征，隨著與基坑中心距離的增大，大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角逐漸減小，這與常規(guī)三軸加載實(shí)驗(yàn)的工況有很大區(qū)別，因此基坑開挖階段土體參數(shù)應(yīng)考慮坑內(nèi)土體的應(yīng)力旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。由于坑外土體單元主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角度較小，因此在計(jì)算時(shí)可不考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的影響。

4)在開挖到底后的吊裝階段，吊車正下方的土體單元的大主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)角產(chǎn)生較大的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，約為最終旋轉(zhuǎn)角的0～1/4，而吊裝對(duì)坑內(nèi)土體的影響較小。此外，吊裝荷載的影響范圍主要發(fā)生在吊車下方深1.3倍荷載寬度的三角形范圍內(nèi)，1.3～2.0倍深度范圍為次影響區(qū)。