基于ABAQUS基坑開挖過程中應(yīng)力位移及穩(wěn)定性分析

蔡 濤, 何 翔, 張 廣, 徐雪梅

(武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430023)

隨著建筑物的高度不斷提升，基坑的開挖深度也在不斷加深。深基坑工程的安全與否，放坡形成的邊坡穩(wěn)定性以及合適的深基坑的支護(hù)方式成了重中之重。目前，邊坡穩(wěn)定性的分析方法眾多，其中有限單元法是目前研究邊坡穩(wěn)定性最常用方法之一[1]。深基坑的支護(hù)具有區(qū)域性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，因此針對(duì)不同的工況需要選擇不同的支護(hù)方式。目前，深基坑的支護(hù)方式主要有護(hù)坡樁、地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁等，其中護(hù)坡樁應(yīng)用的較多[2]。本文選用ABAQUS數(shù)模軟件，針對(duì)武漢某擴(kuò)建項(xiàng)目基坑開挖問題，在放坡及護(hù)坡樁支護(hù)的條件下，進(jìn)行基坑在開挖過程中邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變及穩(wěn)定性分析，并進(jìn)行基坑隆起量以及荷載區(qū)沉降量的計(jì)算。仿真結(jié)果表明：基坑開挖與放坡施工過程中邊坡相對(duì)穩(wěn)定，但基坑隆起量與邊坡水平位移量超出預(yù)警值，必須對(duì)基坑及坡面進(jìn)行加固處理，對(duì)護(hù)坡樁增加支護(hù)措施。

1 工程背景

1.1 工程概況

某工程基坑如圖1所示。以支護(hù)樁為起點(diǎn)，向兩邊各延長50 m，土層總厚度取40 m，護(hù)坡樁的材料為C30混凝土，樁長21 m。離坡頂邊2 m至右邊界有15 kPa的均布堆載，基坑開挖深度為8.1 m，分層開挖，每次開挖深度為0.7～1 m。

圖1 基坑(單位：m)

1.2 數(shù)值模型

根據(jù)上述數(shù)據(jù)利用ABAQUS有限元軟件建立對(duì)應(yīng)的基坑開挖模型，模型材料為彈塑性多孔介質(zhì)，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。模型的底部邊界施加水平約束和豎向約束，模型的左右邊界施加水平約束。上邊界離坡頂邊2 m至右邊界施加均布荷載，網(wǎng)格單元類型為CPE4。先采用地層-結(jié)構(gòu)法對(duì)整體模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡[3]，然后施加護(hù)坡樁，最后逐層開挖，分析在開挖過程中邊坡及基坑的穩(wěn)定性。

依據(jù)基坑開挖深度，地質(zhì)條件及周邊環(huán)境等，對(duì)照地方標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，確定本基坑及放坡等級(jí)均為二級(jí)。依據(jù)GB50497-2019《建筑基坑工程檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]，開挖完成后樁頂最大水平位移應(yīng)小于40 mm，最大豎向位移應(yīng)小于30 mm；荷載區(qū)最大沉降量應(yīng)小于60 mm，基坑最大隆起量應(yīng)小于60 mm。

在建立二維模型時(shí)，將均布荷載，地應(yīng)力平衡等條件納入模型，盡可能還原開挖工況，建立符合實(shí)際開挖過程的動(dòng)態(tài)模型，土層參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 特征節(jié)點(diǎn)分析

為更加方便對(duì)基坑開挖過程中邊坡的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行觀測(cè)，選取邊坡的6個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，6個(gè)特征結(jié)點(diǎn)如圖2所示。其中結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2分別表示的是一級(jí)坡的坡頂和坡腳，結(jié)點(diǎn)3和結(jié)點(diǎn)4分別表示的是二級(jí)坡的坡頂和坡腳，結(jié)點(diǎn)5表示的是護(hù)坡樁的樁頂，結(jié)點(diǎn)6表示的是基坑土體與護(hù)坡樁的接觸點(diǎn)。

圖2 特征結(jié)點(diǎn)

2.1.1 特征結(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

基坑開挖完成后邊坡的局部放大應(yīng)力云圖如圖3所示。水平有效應(yīng)力和豎向有效應(yīng)力隨開挖深度變化曲線如圖4所示。

圖3 基坑開挖完成后邊坡局部放大的應(yīng)力云圖

圖4 水平和豎向有效應(yīng)力隨開挖深度變化曲線

結(jié)合應(yīng)力云圖和有效應(yīng)力隨開挖深度變化曲線可知，土體各結(jié)點(diǎn)都處于應(yīng)力釋放過程中。除結(jié)點(diǎn)4(二級(jí)坡坡腳)土體在進(jìn)行6.3 m深度開挖后，水平應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)值，其他各結(jié)點(diǎn)均為正值，這說明在進(jìn)行6.3 m深度開挖后，結(jié)點(diǎn)4開始處于受拉狀態(tài)，其余結(jié)點(diǎn)均處于受壓狀態(tài)。當(dāng)護(hù)坡樁向基坑內(nèi)部偏移超過了極限平衡狀態(tài)時(shí)，結(jié)點(diǎn)4出現(xiàn)受拉符合實(shí)際情況。結(jié)點(diǎn)5在開挖5.5 m后迅速產(chǎn)生了相反方向的水平應(yīng)力，豎向應(yīng)力也會(huì)有一定幅度的減小。這是因?yàn)樵陂_挖5.5 m后，隨著基坑底部的土體被逐漸挖除，護(hù)坡樁開始更多的承受邊坡的土壓力，出現(xiàn)水平應(yīng)力的不斷增大，方向基坑內(nèi)部。同時(shí)，基坑底部的隆起帶動(dòng)護(hù)坡樁產(chǎn)生拉力，導(dǎo)致護(hù)坡樁豎向應(yīng)力的減小。

2.1.2 特征結(jié)點(diǎn)位移分析

邊坡各結(jié)點(diǎn)開挖完成后的局部放大位移云圖如圖5所示。水平位移和豎向位移隨開挖深度變化曲線如圖6所示，符號(hào)規(guī)定與坐標(biāo)軸方向一致。

圖5 基坑開挖完成后邊坡局部放大的位移云圖

圖6 水平和豎向位移隨開挖深度變化曲線

結(jié)合位移云圖和水平和豎向位移隨開挖深度變化曲線可知：6個(gè)特征點(diǎn)的水平位移隨開挖深度的變化均為向左，即為向基坑內(nèi)部方向發(fā)生位移，且隨著開挖深度的不斷加深水平應(yīng)力也在不斷的增大，并在開挖完成后，水平位移達(dá)到最大值，各結(jié)點(diǎn)的最大水平位移分別為15 mm、54 mm、56 mm、57 mm、56 mm、49 mm。結(jié)點(diǎn)1的豎向位移均為先增大后減小，即豎向位移先向上再向下，豎向位移向上最大為10 mm，向下最大值 3 mm。結(jié)點(diǎn)2～結(jié)點(diǎn)6的豎向位移不斷增大，方向均為上方，各結(jié)點(diǎn)的最大豎向位移分別為43 mm、46 mm、40 mm、22 mm、20 mm。其中結(jié)點(diǎn)5表示的是樁頂?shù)奈灰疲瑯俄數(shù)乃轿灰茷?6 mm，豎向位移為22 mm。

2.2 邊坡穩(wěn)定性分析

目前，強(qiáng)度折減法是有限單元法中對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)最常用的方法，強(qiáng)度折減法得到的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs是邊坡穩(wěn)定性最為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]。將場(chǎng)變量FV1與坡腳的水平位移U1的變化關(guān)系繪制于圖7中，若以位移拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，未加護(hù)坡樁的安全系數(shù)為0.98，施加護(hù)坡樁加固后，邊坡的安全系數(shù)提升至1.25，護(hù)坡樁的加固效果較明顯。

圖7 有無護(hù)坡樁FV1-U1曲線

2.3 基坑隆起位移分析

在基坑底部，以護(hù)坡樁為起點(diǎn)直到左邊界創(chuàng)建一條路徑，將每個(gè)單元結(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖8所示。位移云圖及基坑隆起位移曲線如圖9和圖10所示。

圖8 基坑結(jié)點(diǎn)路徑

圖9 基坑隆起位移云圖

圖10 基坑隆起位移曲線

結(jié)合位移云圖和基坑隆起變化曲線可知，隨著距離護(hù)坡樁的距離不斷增大，基坑隆起位移不斷增大。護(hù)坡樁向基坑內(nèi)部方向偏移對(duì)護(hù)坡樁邊緣土體的隆起變形產(chǎn)生阻礙作用，在護(hù)坡樁周邊的基坑土體隆起只有20 mm；在距離20 m 以后的基坑隆起位移基本不變，達(dá)到106 mm的隆起位移。

2.4 荷載區(qū)沉降位移分析

在均布荷載區(qū)，以離坡頂2 m為起點(diǎn)直到右邊界創(chuàng)建一條路徑，將每個(gè)單元結(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖11所示。位移云圖及荷載區(qū)沉降位移曲線如圖12、圖13所示。

結(jié)合位移云圖和基坑隆起變化曲線可知隨著離坡頂距離的增加，荷載區(qū)的沉降位移呈現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)，在距離坡頂4 m左右處沉降位移達(dá)到最大值35 mm，隨著離坡頂距離的增加，沉降位移逐漸趨于穩(wěn)定為5 mm。

圖11 荷載區(qū)結(jié)點(diǎn)路徑

圖12 荷載區(qū)沉降云圖

圖13 荷載區(qū)沉降位移曲線

3 結(jié)論

(1)通過對(duì)邊坡特征節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力位移、基坑底部隆起量、荷載區(qū)沉降量以及邊坡安全系數(shù)的綜合分析，該基坑護(hù)坡樁的施加使得邊坡和基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)施加護(hù)坡樁，基坑邊坡的安全系數(shù)從0.98提升至1.25。按照GB50202-2018《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[6]，達(dá)到二級(jí)邊坡要求。

(3)開挖完成后，樁頂?shù)乃轿灰茷?6 mm，豎向位移為22 mm。水平位移超過40 mm，豎向位移小于30 mm，水平位移不符合規(guī)范，需增加斜撐支護(hù)，坡面出現(xiàn)受拉區(qū)，坡面需加固處理。

(4)開挖完成后，荷載區(qū)最大沉降量為35 mm，基坑底部最大隆起量為106 mm，荷載區(qū)沉降量小于60 mm，基坑底部最大隆起量超過60 mm，基坑隆起量不符合規(guī)范，坑底土體需加固處理。