基于有限元數(shù)值模型的復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)在住宅基坑項(xiàng)目中的應(yīng)用研究①

陳 強(qiáng)

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司,天津 300350)

0 引 言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn),土地成為緊缺資源。為了最大化土地利用率,需要將建設(shè)區(qū)域復(fù)雜地質(zhì)水文因素納入考慮,這給基坑開(kāi)挖項(xiàng)目提出了更加嚴(yán)格的要求[1-2]。因?yàn)殡S著基坑施工難度的增加,作業(yè)難度也隨之增加,使得基坑工程事故率陡增[3]。這對(duì)本就屬于軟弱土層的沿海地區(qū)來(lái)說(shuō),如何在住宅基坑項(xiàng)目中設(shè)計(jì)出滿足安全可靠的支護(hù)結(jié)構(gòu)就顯得更為重要[4]。研究旨在將預(yù)應(yīng)力錨索和SWM工法樁相結(jié)合進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并借助有限元數(shù)值模型考察其在各種工況下錨索預(yù)應(yīng)力以及樁身形變和位移的變化情況。

1 基于有限元數(shù)值計(jì)算分析的復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)

1.1 錨索-SWM工法樁復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)

錨索和SWM工法樁復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)中,錨索可以分為預(yù)應(yīng)力錨索以及無(wú)預(yù)應(yīng)力錨索兩類。預(yù)應(yīng)力錨索具有柔性好、加固深度大、主動(dòng)受力以及施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。圖1為支護(hù)設(shè)計(jì)整體穩(wěn)定性測(cè)算示意圖。

圖1 支護(hù)設(shè)計(jì)整體穩(wěn)定性測(cè)算示意圖

圖1示意圖反映了在基坑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的計(jì)算原理,保證支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足整體穩(wěn)定性要求對(duì)于基坑作業(yè)至關(guān)重要。研究選擇條分法和有效應(yīng)力分析支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,公式(1)和公式(2)為對(duì)應(yīng)的分析計(jì)算公式。

min{Ks,1,Ks,2,…,Ks,i,…}≥Ks

(1)

(2)

式(1)和式(2)中,Ks表示整體穩(wěn)定安全系數(shù),Ks,i表示第i個(gè)圓弧滑動(dòng)力矩和抗滑力矩間比值。cj和φj分別表示第j個(gè)土條在滑動(dòng)圓弧面接處的粘聚力和內(nèi)摩擦角。bj,θj,lj和qj分別表示第j個(gè)土條寬度、滑動(dòng)圓弧面中心點(diǎn)處法線與垂直面的夾角、滑動(dòng)圓弧曲段長(zhǎng)度以及土條頂部附加均布負(fù)荷的受力標(biāo)準(zhǔn)值。ΔGj,uj和Rk,k分別表示第j個(gè)土條自身重量、滑動(dòng)圓弧弧面的孔隙水壓和第K層錨桿對(duì)滑動(dòng)體的最大拉力值。αk,θk,Sx,k和ψv表示第K層錨桿傾斜角度、滑動(dòng)面位于第K層錨桿位置的法線與垂直面的夾角、第K層錨桿在水平方向的距離以及計(jì)算系數(shù)。圖2為含多個(gè)支點(diǎn)的傾覆穩(wěn)定性示意圖。

圖2 含多個(gè)支點(diǎn)的抗傾覆穩(wěn)定性示意圖

抗傾覆穩(wěn)定的測(cè)驗(yàn)主要是為了考察基坑土質(zhì)的優(yōu)劣情況。此外,基坑開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程中,尤其是在對(duì)軟弱土層位置進(jìn)行挖掘工作時(shí),原本土體的平衡樣態(tài)會(huì)被改變,造成基坑內(nèi)外兩側(cè)土體形成壓力差,且壓力差會(huì)隨著開(kāi)掘深度的增加而增加,最終當(dāng)壓差達(dá)到基坑底部土體的承載限值時(shí),便會(huì)出現(xiàn)外側(cè)土體內(nèi)移的現(xiàn)象,從而帶來(lái)坑底土體變形的不穩(wěn)定狀態(tài)。為了避免不穩(wěn)定土體帶來(lái)的施工事故的發(fā)生,需要在基坑建設(shè)時(shí)納入抗隆起穩(wěn)定性分析。公式(3)-公式(5)為地基承壓測(cè)驗(yàn)公式。

(3)

(4)

Nc=(Nq-1)/tanφ

(5)

式(3)-式(5)中,Kb表示抗隆起安全系數(shù)。γm1和γm2表示基坑內(nèi)外擋土之上的自然重度,ld,h和q0分別表示擋土嵌固深度、基坑深度以及地面壓力超載值。Nc,Nq表示承載力系數(shù)。c,φ表示擋土構(gòu)件底層土體的粘聚力以及內(nèi)摩擦角。需要指出的是,當(dāng)擋土結(jié)構(gòu)的土層位于軟弱下臥層時(shí),基坑底部隆起穩(wěn)定性測(cè)驗(yàn)需要將此軟弱下臥層包含在內(nèi),其添加的數(shù)學(xué)表達(dá)式為公式(6)。

(6)

式(6)中,γm1和γm2表示支護(hù)構(gòu)件內(nèi)外兩側(cè)軟弱下臥層于頂面以上的重度,D表示基坑底部到軟弱下臥層頂土面的距離。同時(shí),對(duì)于錨拉式支擋結(jié)構(gòu)以及支撐式支擋結(jié)構(gòu)而言,若坑底土體為軟土性質(zhì)時(shí),擋土嵌固深度需要符合將最下層支點(diǎn)作為軸心的弧面滑動(dòng)穩(wěn)定性約束,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為公式(7)。

(7)

式(7)中,Kr表示圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性安全系數(shù),三個(gè)安全等級(jí)對(duì)應(yīng)的系數(shù)值為2.2,1.9和1.7。

1.2 有限元數(shù)值計(jì)算分析及參數(shù)設(shè)置

有限元法通過(guò)將無(wú)限自由度的連續(xù)體簡(jiǎn)化成有限自由度個(gè)數(shù)的組成體,從而讓問(wèn)題化簡(jiǎn)成可解決的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題。研究采用Midas/GTX NX有限元法分析軟件進(jìn)行模型建構(gòu)和分析。在建立模型時(shí)假定各土層為均質(zhì)且各項(xiàng)同性的彈塑性土體,且將SMW工法樁等價(jià)為連續(xù)墻,并忽略基坑開(kāi)挖中存在的空間效應(yīng),并規(guī)定初始狀態(tài)為零變形狀態(tài)。模型的邊界條件從X,Y,Z三個(gè)位移方向展開(kāi)約束,其中Y軸負(fù)方向納入了重力加速度因素。在借助Midas/GTS NX建模時(shí),應(yīng)將SMW工法樁、鋼圍檁、冠梁和素噴砼面作為線彈性材料,采用板模塊屬性定義SMW工法樁以及素噴砼面,采用梁模塊屬性定義冠梁以及鋼圍檁,采用植入式桁架模塊來(lái)模擬錨索。表1反映了錨索、工法樁以及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況。

表1 錨索、工法樁以及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況

研究采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)為樁錨支護(hù)構(gòu)造,在借助Midas/GTX NX有限元法分析軟件進(jìn)行實(shí)況仿真時(shí),主要利用“激活”指令以及“鈍化”指令進(jìn)行操作以實(shí)現(xiàn)對(duì)于相應(yīng)土層以及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的模擬。基坑挖掘數(shù)值仿真分為五個(gè)工況,且地面標(biāo)高為±0m。表2為有限元數(shù)值模擬挖掘的工況信息表。

表2 有限元數(shù)值模擬挖掘的工況信息表

從表2可知,第一工況為起始應(yīng)力分析。該分析階段首先進(jìn)行基坑中各土層網(wǎng)格單元激活操作,設(shè)定好邊界約束以及靜力荷載,最后再進(jìn)行位移清零操作。第二工況為首次開(kāi)挖土層與支護(hù)設(shè)計(jì)階段,該階段先要對(duì)土體進(jìn)行鈍化處理,以模擬首次土體開(kāi)挖過(guò)程,然后再進(jìn)行冠梁、SMW工法樁等各單元激活操作。第三工況和第四工況為二次和三次土層挖掘以及錨索、鋼圍檁設(shè)置階段,第五次工況則為挖至坑底階段。

2 基于有限元模型的復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)在住宅基坑中的應(yīng)用分析

研究選取的住宅基坑處于軟土沿海區(qū)域,其地貌特征為沖洪積-淤積平原。該基坑開(kāi)挖深度為5.6m至6.3m,部分工程段開(kāi)挖深度為10.5m,規(guī)模較大且場(chǎng)地表面不規(guī)則,該基坑安全等級(jí)屬于一級(jí)?？紤]到該基坑項(xiàng)目各種地質(zhì)水文等環(huán)境因素,選取提出的錨索-SMW工法樁進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)并對(duì)其采用有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。圖3為錨索應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比結(jié)果圖。

圖3 錨索應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比結(jié)果圖

從圖3對(duì)比圖可知,此三個(gè)錨索應(yīng)力的計(jì)算值與實(shí)際值間存在一定差值。錨索1在工況2中出現(xiàn)了應(yīng)力偏差最大值為20kN。錨索2應(yīng)力偏差最大值出現(xiàn)在工況4為20kN。錨索3應(yīng)力偏差最大值在工況4中為10kN。但最終從圖3曲線走向來(lái)看,隨著工況的進(jìn)行開(kāi)挖深度加深,錨索軸力也逐步加大,且錨索軸力變化范圍均位于60%到70%預(yù)警值以內(nèi),而且計(jì)算值曲線與實(shí)際值曲線的走向具有一致性,因此該設(shè)計(jì)模型具有可靠性。圖4(a)為支護(hù)樁身水平方向位移計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比圖,圖4(b)為基坑周圍地表沉降量對(duì)比結(jié)果。

圖4 支護(hù)樁身水平方向位移以及地表沉降量對(duì)比圖

從圖4(a)可知,支護(hù)樁水平位移計(jì)算值曲線與實(shí)際值曲線走向具有一致性,從基坑開(kāi)挖到項(xiàng)目預(yù)設(shè)的標(biāo)高處表現(xiàn)為凸出樣態(tài),且隨著開(kāi)挖深度的進(jìn)行,基坑下方樁身水平方向位移值趨于減小,符合設(shè)計(jì)要求。其中,水平位移實(shí)際最大值出現(xiàn)在距樁頂5.2m處,對(duì)應(yīng)的最大水平位移量為16.2mm。而計(jì)算值得到的水平位移最大值出現(xiàn)在距樁頂6.1m處,對(duì)應(yīng)的水平位移最大值為19.3mm。根據(jù)水平位移預(yù)警值40mm可知,該位移偏差處于正常范圍。從圖4(b)可知,地表沉降量實(shí)際值呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì),且在距離基坑邊緣30m之后趨于水平變化,其地表沉降量最大值出現(xiàn)在基坑附近10m的位置,沉降量數(shù)值為8.8mm。模型曲線走向也呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),且在距離基坑附近30m處趨于平穩(wěn),最大沉降量為5.7mm,發(fā)生在基坑邊緣4.8m處。根據(jù)基坑周圍地表沉降量預(yù)警值30mm可知,該偏差屬于合理范圍。

圖5 三種附加負(fù)荷下樁身位移曲線以及彎矩曲線圖

在實(shí)際情況中,坡頂周圍還存在機(jī)械停放、材料堆積以及土方堆積等附件負(fù)荷。這些負(fù)荷會(huì)使得實(shí)際基坑附加負(fù)荷通常會(huì)超過(guò)模型預(yù)設(shè)值,所以此處在不改變其他參數(shù)的情況下,設(shè)置坡頂附加負(fù)荷為10kPa,20kPa,30kPa和40kPa四種情形來(lái)考察其對(duì)支護(hù)樁樁身水平位移以及樁身內(nèi)力的影響。圖5為三種附加負(fù)荷下樁身位移曲線以及彎矩曲線圖。從圖5(a)可知,坡頂附加的負(fù)荷給支護(hù)樁樁身水平方向的位移帶來(lái)了較大影響。當(dāng)附加負(fù)荷為20kPa時(shí),支護(hù)樁樁身發(fā)生的最大水平位移量為19.3mm。當(dāng)附加負(fù)荷為30kPa時(shí),支護(hù)樁樁身最大水平位移增多了4mm,增長(zhǎng)百分比為20.7%。從圖5(b)可知,坡頂附加的負(fù)荷量對(duì)于支護(hù)樁樁身彎矩也影響顯著,樁身彎矩曲線圖整體呈現(xiàn)逆“S”曲線,且彎矩大小跟隨附加負(fù)荷增多而增大。例如,附加荷載為20kPa時(shí),樁身最大彎距為320kN·m。當(dāng)附加荷載為30kPa時(shí),最大彎矩與20kPa相比增加了35kN·m,增長(zhǎng)百分比為11%?？芍马敻郊雍奢d的增大會(huì)導(dǎo)致樁身水平位移以及彎矩的增加,所以在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分考慮附加荷載閾值避免因坡頂超載而引發(fā)工程事故。

3 結(jié) 語(yǔ)

考慮到SMW工法樁技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景,同時(shí)考慮到預(yù)應(yīng)力錨索能夠給基坑提供更優(yōu)越的支護(hù)技術(shù),因此研究旨在將錨索和SWM工法樁相結(jié)合提出一種復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),并采用有限元數(shù)值模型來(lái)計(jì)算,最終和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際值相比較。結(jié)果表明,通過(guò)所提的復(fù)合支護(hù)設(shè)計(jì)方法錨索應(yīng)力在不同工況下最大偏差值為20kN,滿足60%到70%的預(yù)警值。支護(hù)樁水平位移最大值為19.3mm,滿足40mm的預(yù)警值以內(nèi)。因此,該結(jié)構(gòu)在住宅基坑施工中具有一定借鑒意義。