山東引黃灌區(qū)工程構(gòu)筑物深基坑支護(hù)技術(shù)研究

王延杰

（濟寧市水利事業(yè)發(fā)展中心東魚河分中心,山東 魚臺 272300）

1 引言

淤泥質(zhì)軟土地層在沿海地區(qū)較為常見,位于沿海區(qū)域的山東省更是以深厚層的淤泥質(zhì)軟土地層而在工程界尤其是基坑工程領(lǐng)域聞名遐邇,曾經(jīng)困擾著眾多工程師和基坑專家,盡管目前已經(jīng)形成了一定的基坑施工技術(shù)處理該類土質(zhì)條件下的基坑開挖施工,但是缺乏有效驗證。許多學(xué)者采用FLAC3D 軟件對各類地質(zhì)條件下的基坑工程的支護(hù)加固技術(shù)進(jìn)行了驗證研究。于丹等[1-2]通過FLAC3D 軟件分別模擬了基坑采用傳統(tǒng)的樁錨支護(hù)和另一種經(jīng)濟的疏排樁錨加土釘墻聯(lián)合支護(hù)技術(shù)條件下的基坑位移和應(yīng)力相應(yīng),研究結(jié)論證明傳統(tǒng)的樁錨支護(hù)技術(shù)更為可靠,這避免了新型支護(hù)技術(shù)的不可靠盲目應(yīng)用。張騫棋等[3-4]對Geostudio 和FLAC3D 兩個數(shù)值計算軟件各自優(yōu)點在充分認(rèn)識基礎(chǔ)上,對一公路堆積體邊坡采用Geostudio 結(jié)合FLAC3D 軟件共同對其滑坡穩(wěn)定性特征進(jìn)行了研究,并基于兩軟件的計算結(jié)果,提出了一種新的邊坡穩(wěn)定性論證方法。鐘志輝等[5-6]研究了如何將Midas 軟件構(gòu)建的邊坡模型應(yīng)用于FLAC3D 數(shù)值計算中,研究成果為工程中復(fù)雜邊坡模型的數(shù)值模擬計算提供了便利和新途徑。何忠明等[7-8]利用Geo-studio 軟件seep 模塊在處理滲流問題上的優(yōu)越性,先將邊坡模型在seep 中進(jìn)行計算獲取滲流結(jié)果后,將帶結(jié)果的邊坡模型導(dǎo)入FLAC3D 中進(jìn)行后續(xù)分析,作者深入學(xué)習(xí)并運用發(fā)揮了兩個軟件各自的優(yōu)勢,為邊坡滲流穩(wěn)定性分析開拓了新思路。杜學(xué)領(lǐng)[9]對巷道支護(hù)和隧道支護(hù)中普遍應(yīng)用的錨桿支護(hù)技術(shù)在FLAC3D 中的實現(xiàn)和當(dāng)前應(yīng)用的領(lǐng)域和成果進(jìn)行了總結(jié),指出了當(dāng)前應(yīng)用中存在的若干問題,主要說明了未來需有效加強應(yīng)用的多個方面。周斌等[10-11]采用新近提出的抗剪強度折減理論在FLAC3D 中進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的分析,說明了FLAC3D 軟件在邊坡穩(wěn)定性研究方面的可靠性。

本文依托山東引黃灌區(qū)工程構(gòu)筑物工程,對深基坑的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,在FLAC3D 軟件中依托工程實際構(gòu)建了一個基坑開挖模型,分析比較水平方向上不同道橫向鋼梁支撐條件下,基坑的變形特征和鋼梁支撐的受力特點,提出了基坑開挖支護(hù)技術(shù),為今后基坑施工支護(hù)方法的選擇提供了有益增選項和可靠指導(dǎo)。

2 工程概況

東昌府區(qū)引黃灌區(qū)為位山灌區(qū),設(shè)計灌溉面積80.4 萬畝,有效灌溉面積66.5 萬畝。位山灌區(qū)引黃水源對全區(qū)進(jìn)行了全部覆蓋,骨干渠道為位山二、三干渠,年引水1 億m3。通過疏浚、襯砌溝渠、新建、改建、維修建筑物,增加水源工程、配合現(xiàn)有信息化平臺,增加計量、閘門控制等裝置,起到節(jié)約農(nóng)業(yè)用水,強化用水計量,規(guī)范用水管理,減輕管理工作負(fù)擔(dān)的作用。新改建閘、橋梁建筑物開挖基坑,基坑寬2 m,長12 m,為了加快工程進(jìn)度,工程施工中擬采用地連墻加橫向鋼支撐的支護(hù)方式對基坑進(jìn)行支護(hù)。

3 FLAC3D 中的線性結(jié)構(gòu)單元

FLAC3D 提供有三類線性構(gòu)件,可供讀者選擇使用,包括梁體結(jié)構(gòu)、錨索結(jié)構(gòu)和樁基結(jié)構(gòu)單元體[12]。梁體結(jié)構(gòu)構(gòu)件由梁體構(gòu)件和梁體節(jié)點組成,主要通過‘struct beam create byline’命令進(jìn)行設(shè)置,同時,設(shè)置完成后,對梁體相關(guān)屬性參數(shù)進(jìn)行賦值,這樣才能保證后續(xù)計算的順利進(jìn)行,其中涉及到X、Y 軸的慣性矩計算和極軸慣性矩計算,需要用戶具備一定的材料力學(xué)知識。

4 模型構(gòu)建

構(gòu)建長30 m、高8 m、寬6 m 的模型,其中,基坑依托實際工程,首層掘進(jìn)開挖2 m 深,開挖寬2 m、長12 m,如圖1（a）、（b）所示,在基坑開挖深度為2 m 的情況下,構(gòu)建水平方向上工程實際中計劃采用的鋼支撐橫向間距為1 m 和1.2 m 的兩種基坑支護(hù)模型,進(jìn)行分析計算,基坑開挖深度控制為2 m,基坑寬2 m、長12 m,對于間距為1 m 的橫向鋼支撐在基坑長度方向上設(shè)置12 道,間距為1.2 m 的橫向鋼支撐在基坑長度方向上設(shè)置10 道,材料性質(zhì)如表1 所示。邊界條件設(shè)置為：Z=0 處,固定X、Y、Z 三個方向速度；X=0、6 處,固定X 方向速度,Y=0、30 處,固定Y 方向速度。

圖1 不同間距橫向鋼支撐基坑支護(hù)模型

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

5 計算結(jié)果

本節(jié)通過比較兩種不同間距橫向鋼支撐支護(hù)條件下,影響基坑穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo),得出隨著水平方向上,橫向鋼支撐間距的加大,鋼支撐軸力、彎矩的變化特點,基坑底板的位移大小變化特征。

（1）鋼支撐橫向間距為1 m 時

開挖深度為2 m 條件下,鋼支撐橫向間距為1 m 時,通過平衡計算,得到的鋼支撐彎矩大小云圖,如圖2（a）中所示。最大彎矩為1.32 e-2N·m,存在最大彎矩的鋼支撐分布在基坑長度方向的1/2 至1/4 處。由圖2（b）所示鋼支撐軸力云圖可知,間距1 m 時,鋼支撐承受最大軸力為1050 N,且最大軸力的鋼支撐分布于基坑長度方向上的1/2 和1/4 處,這與最大彎矩的鋼支撐分布范圍吻合,且最大軸力和最大彎矩的分布特點和材料力學(xué)中的理論解相一致,由此可知,計算結(jié)果正確。當(dāng)開挖深度為2 m,鋼支撐橫向間距為1 m 時,基坑寬度方向上最大位移發(fā)生處位于寬度方向上的1/2 處,最大上拱位移值為6.4 e-3 m,如圖2（c）中所示。模型z 方向的應(yīng)力云圖如圖2 中（d）所示,可見,在邊界上基坑開挖并未對邊界上的應(yīng)力構(gòu)成影響,說明作者所構(gòu)建模型是合理的,前述分析是可靠的。（2）鋼支撐橫向間距為1.2 m 時

圖2 鋼支撐橫向間距為1m 時的數(shù)值模擬結(jié)果

開挖深度為2 m 條件下,鋼支撐橫向間距為1.2 m 時,通過平衡計算,得到的鋼支撐彎矩大小云圖,如圖3（a）中所示。最大彎矩為1.7 e-2 N·m,相比鋼支撐間距為1 m時,彎矩增大,存在最大彎矩的鋼支撐分布在基坑長度方向的1/2 至1/4 處,這與鋼支撐間距為1 m 時情況一致。由圖3（b）所示鋼支撐軸力云圖可知,間距1.2 m 時,鋼支撐承受最大軸力為1240 N,相比鋼支撐間距為1 m 時,軸力增大,且最大軸力的鋼支撐分布于基坑長度方向上的1/2 和1/4 處,這與最大彎矩的鋼支撐分布范圍吻合,且最大軸力和最大彎矩的分布特點和材料力學(xué)中的理論解相一致。鋼支撐橫向間距為1.2 m 時,基坑寬度方向上最大位移發(fā)生處位于寬度方向上的1/2 處,最大值上拱位移值約為6.4 e-3 m,如圖3（c）中所示,這與間距為1 m 時情況幾乎相同,這主要是鋼支撐分布于基坑頂面,間距減小對底面變形構(gòu)不成太大影響的緣故。模型z 方向的應(yīng)力云圖如圖3 中（d）所示,可見,在邊界上基坑開挖并未對邊界上的應(yīng)力構(gòu)成影響。

圖3 鋼支撐橫向間距為1.2 m 時的數(shù)值模擬結(jié)果

6 結(jié)論

通過不同橫向鋼支撐間距時,影響基坑穩(wěn)定的各關(guān)鍵參數(shù),主要得出以下結(jié)論：

（1）隨著橫向鋼支撐間距的加大,鋼支撐所承受的軸力和彎矩都隨之增大；基坑側(cè)壁變形較大處集中于長度方向上的1/4 至3/4 處,施工過程中應(yīng)加強監(jiān)測。

（2）在基坑周圍應(yīng)盡量避免重物堆載,尤其在位于基坑邊長靠中間部位,該處易發(fā)生堆載失穩(wěn),威脅基坑施工安全,通過縮小橫向鋼支撐的間距,能夠減小單道橫向鋼支撐的軸力,提高安全系數(shù)。

（3）本文結(jié)論為該類土層基坑開挖施工支護(hù)技術(shù)的改進(jìn)提供了參考,為工程實際中采用該方法對基坑首層開挖進(jìn)行加強支護(hù)提供了可靠驗證。