某黃土深基坑變形特性數(shù)值模擬分析

李旺，張子辰，嚴(yán)長(zhǎng)江

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅蘭州 730070)

0 引言

隨著軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了大量明挖隧道深大基坑工程。這類(lèi)基坑往往具有開(kāi)挖深度大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，故在基坑的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中質(zhì)量要求嚴(yán)苛，其中變形控制尤為重要，故須對(duì)深基坑支護(hù)變形特性進(jìn)行研究[1-2]。采用MIDAS/GTS 模擬深大基坑的開(kāi)挖、支護(hù)及變形是一種有效的研究方法。李輝、常虹、李方成、李明瑛和朱彥鵬等[3-7]基于MIDAS/GTS 對(duì)基坑進(jìn)行有限元分析，他們的分析角度包括對(duì)不同開(kāi)挖方式的模擬、對(duì)基坑變形及錨桿軸力變化模擬、對(duì)施工工序的模擬、對(duì)錨索軸力變化的模擬，并分析模擬中所得數(shù)據(jù)，研究基坑的受力及變形規(guī)律。許健[8]和吳意謙等[9]通過(guò)數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)基坑進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性。劉維正和張浩龍等采用PLAXIS 3D 對(duì)深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出支護(hù)結(jié)構(gòu)不同位置受空間效應(yīng)影響不同，且不同支護(hù)方式下，其受力特性也不同[10-11]。

目前雖有許多學(xué)者采用有限元軟件來(lái)研究基坑工程，但每個(gè)基坑都有其個(gè)性，影響基坑穩(wěn)定和變形的因素很多，很復(fù)雜。故本文以某明挖隧道黃土深基坑為研究背景，采用MIDAS/GTS 軟件對(duì)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)深基坑進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析了基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，不同深度處樁體的水平位移、基坑周邊地表沉降、錨索軸力等的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)基坑的變形情況，為優(yōu)化基坑設(shè)計(jì)及安全施工提供一些建議。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

蘭州至張掖三四線鐵路（簡(jiǎn)稱“蘭張三四線”）中川隧道明挖黃土基坑位于蘭州市蘭州新區(qū)中川鎮(zhèn)。隧道起訖里程DK63+095.385～DK65+740，全長(zhǎng)2 644.4 m，隧道全部采用明挖法施工。由于此明挖隧道基坑的開(kāi)挖深度不同以及基坑周邊環(huán)境的復(fù)雜多樣，故不同段落的支護(hù)方式不同。對(duì)于DK63+095.385～DK63+900 段的隧道，沿大里程方向，基坑右側(cè)采用鉆孔灌注樁+錨索的支護(hù)方式；基坑左側(cè)采用放坡+錨桿的支護(hù)方式。此段明挖隧道基坑凈長(zhǎng)為804.61 m，基坑開(kāi)挖深度為16.30～16.45 m，基坑底部開(kāi)挖寬度為39.70～41.00 m，頂部開(kāi)挖寬度為54.17～55.40 m。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

該隧道地處傾斜沖洪積平原區(qū),地面高程一般為1938～1958 m，區(qū)內(nèi)地形平坦開(kāi)闊,表層植被較發(fā)育。地表水不甚發(fā)育，地下水主要屬第四系松散層孔隙潛水，地下水位深20.5～34.9 m。隧道地層條件按時(shí)代由新到老分別包括了第四系全新統(tǒng)雜填土(Q4ml),沖洪積砂質(zhì)黃土(Q4al+pl3)、粉(細(xì))砂(Q4al+pl4)、中(粗)砂(Q4al+pl5)、礫砂(Q4al+pl5)、細(xì)圓礫土(Q4al+pl6),下伏為上第三系中新統(tǒng)泥巖(N1ms)、砂巖(N1Ss)、礫巖(N1Cg)。中川隧道場(chǎng)地地面以下各土層的物理力學(xué)參數(shù)如下表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《JGJ 120—2012 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》確定，該基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)γ0=1.1。臨時(shí)地面超載按20 kPa 考慮。綜合考慮基坑工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、基坑開(kāi)挖深度與寬度及基坑周邊環(huán)境條件等因素，該基坑在坡頂0～-3 m 范圍內(nèi)采取放坡開(kāi)挖+土釘支護(hù)，-3 m 以下則采用樁孔灌注樁配合錨索的支護(hù)體系，根據(jù)基坑深度自上而下設(shè)5道預(yù)應(yīng)力錨索。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)圖1 所示。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

根據(jù)《GB 50497—2019 建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》可知，基坑各項(xiàng)目變形的控制值和預(yù)警值如表2 所示。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值及預(yù)警值

3 MIDAS/GTS 建模

3.1 基本假定

結(jié)合基坑實(shí)際情況，在數(shù)值模擬中做出如下基本假定：①同一材料均為理想均質(zhì)且各向同性材料；②各層土體均為理想彈塑性材料且各向同性；③鉆孔灌注樁、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)均處于彈性狀態(tài)，不考慮樁體內(nèi)部鋼筋的影響；④不考慮冠梁對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；⑤不考慮樁間土表面所用的網(wǎng)噴混凝土對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 模型材料及屬性

對(duì)基坑進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將該模型的土體劃分為五層。巖土體的本構(gòu)模型選用修正摩爾—庫(kù)倫（MMC）模型。建立模型時(shí)，各層土體采用3D 實(shí)體單元進(jìn)行模擬，鉆孔灌注樁和冠梁均采用1D 梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬，而土釘、錨索則采用植入式桁架來(lái)模擬，鉆孔灌注樁、冠梁、土釘和錨索的材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)屬性如表3 和表4 所示。采用MIDAS 的自動(dòng)約束功能設(shè)置模型的邊界條件，自重荷載，并對(duì)鉆孔灌注樁施加螺旋約束?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表3 所示。

表3 材料參數(shù)

表4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)屬性參數(shù)如表4 所示。

3.3 建立有限元模型

選取中川隧道明挖基坑DK095.385～DK195.385 段右線一側(cè)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，此段基坑長(zhǎng)度為100 m，開(kāi)挖深度為16.45 m，根據(jù)圣維南原理，模型的寬度取基坑開(kāi)挖寬度的3～5 倍，模型的深度取基坑開(kāi)挖深度的3～5 倍。最終所建基坑模型尺寸為x 方向100 m，y 方向80 m，z 方向-51 m。模型共劃分50 678 個(gè)單元和40 260 個(gè)節(jié)點(diǎn)，三維有限元計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 三維有限元模型

3.4 開(kāi)挖過(guò)程模擬

基坑的開(kāi)挖與支護(hù)是一個(gè)隨時(shí)間不斷變化的過(guò)程，為了更真實(shí)地反映出基坑的開(kāi)挖過(guò)程對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周?chē)馏w的影響，通過(guò)采用MIDAS/GTS 有限元分析軟件中激活或鈍化單元來(lái)模擬基坑開(kāi)挖及支護(hù)的施工過(guò)程?；娱_(kāi)挖支護(hù)分六個(gè)工況進(jìn)行，施工階段如表5 所示。

表5 基坑施工階段

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基坑水平位移云圖分析

隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，土體原有的平衡狀態(tài)受到破壞，導(dǎo)致基坑產(chǎn)生變形。在基坑內(nèi)側(cè)卸去原有土體，致使樁體外側(cè)受到主動(dòng)土壓力，從而產(chǎn)生向坑內(nèi)的變形。

在工況一時(shí)基坑側(cè)壁土體水平位移較小，為0.7 mm，到工況二時(shí)其值達(dá)到1.3 mm，工況三時(shí)為2.2 mm，工況四時(shí)為3.8 mm，工況五時(shí)為6.1 mm，工況六時(shí)為7.5 mm?；忧八膫€(gè)工況完成后，基坑側(cè)壁土體的水平位移變化量較小，而在工況五和工況六完成后，基坑側(cè)壁土體水平位移明顯增大。且在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，同一點(diǎn)的水平位移會(huì)隨著基坑開(kāi)挖深度的增大而增大。具體工況及基坑側(cè)壁土體水平位移見(jiàn)圖3 所示。

圖3 水平位移云圖

4.2 圍護(hù)樁樁體側(cè)向變形分析

以圍護(hù)樁的頂點(diǎn)作為縱軸的零點(diǎn)，由圖5 可知：工況一完成時(shí)，樁體最大水平位移為0.6 mm；到工況六結(jié)束時(shí)，樁體最大水平位移為6.7 mm。由變形曲線可知，樁體水平位移隨基坑開(kāi)挖深度增加而增大，最大水平位移值出現(xiàn)在樁體-5 m 左右處。在前三次工況中，樁身位移變化曲線基本呈線性，后三次工況中，樁身中上部分位移變化曲線呈現(xiàn)出外鼓狀。在基坑底面線以上樁體水平位移明顯大于基坑底面線以下樁體水平位移，基坑底面線以上部分樁體受到基坑開(kāi)挖后主動(dòng)土壓力作用，導(dǎo)致變形較大，而下部分嵌入土體里面，對(duì)其變形有一定約束作用，故變形較小。曲線見(jiàn)圖4 所示。

圖4 樁體水平位移

圖5 基坑周邊地表沉降變形

4.3 基坑周邊地表沉降分析

隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，基坑周邊地表的沉降也隨之變大，地表沉降最大值由工況一完成時(shí)的-1.7 mm 增大到工況六完成時(shí)的-5.8 mm。通過(guò)基坑周邊地表沉降曲線，可以看出地表最大沉降并不是出現(xiàn)在圍護(hù)樁附近，而是出現(xiàn)在距圍護(hù)樁15 m左右處。也就是說(shuō)，雖然樁后有一定沉降變形，但并非最大值，而是隨著距樁后距離的增加而增大，到樁后約15 m 處達(dá)到最大沉降值。基坑周邊地表最大沉降值沒(méi)有出現(xiàn)在樁后，其主因是圍護(hù)樁樁后土體與圍護(hù)樁之間的摩擦限制了土體的沉降所致。地表沉降變形曲線如圖5 所示。

4.4 錨索軸力變化分析

隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，錨索軸力也逐漸增加。第一道錨索預(yù)應(yīng)力為60 kN，開(kāi)挖結(jié)束后軸力為81.5 kN，增長(zhǎng)了35.8%；依次類(lèi)推，第二道錨索軸力增長(zhǎng)了5.8%；第三道錨索軸力增長(zhǎng)了4.4%；第四道錨索軸力增長(zhǎng)了4.2%；第五道錨索軸力增長(zhǎng)了11.5%。從5 道錨索的增長(zhǎng)率來(lái)看，第一道錨索軸力變化最大。原因是第一道錨索附近基坑側(cè)壁土體側(cè)向變形比其他錨索附近的土體側(cè)向變形更大，從而導(dǎo)致第一道錨索軸力變化更大。錨索軸力變化見(jiàn)圖6 所示。

圖6 錨索軸力

4.5 綜合分析

將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與預(yù)警值進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：基坑各項(xiàng)目的數(shù)值計(jì)算結(jié)果均未超過(guò)預(yù)警值，證明該設(shè)計(jì)是合理可行的。圍護(hù)樁在支護(hù)中可以抵抗基坑坑壁土體滑動(dòng)的側(cè)壓力，而錨索一端固定于坑壁，另一端錨固于穩(wěn)定的巖土體之中，增大抗滑摩阻力，改善基坑周?chē)鷰r土體的力學(xué)性能，在兩者相互作用下支護(hù)樁和周?chē)乇沓两刀紱](méi)有產(chǎn)生較大的變形，說(shuō)明支護(hù)樁配合錨索的方式不僅可以有效地限制樁體及樁側(cè)土體的側(cè)向變形，也可以有效地限制基坑周?chē)馏w的豎向變形。樁體和周?chē)馏w產(chǎn)生的變形較小，反映出該設(shè)計(jì)相對(duì)保守，安全儲(chǔ)備較高，有一定的優(yōu)化空間。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)中川隧道明挖基坑DK095.385～DK195.385 段右線一側(cè)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究，得出以下結(jié)論：

1）圍護(hù)樁水平位移隨開(kāi)挖的進(jìn)行不斷變大，中上部樁體變形曲線呈外鼓狀。樁體最大側(cè)向變形出現(xiàn)在約樁深5 m 處，其值為6.7 mm；

2）基坑周邊地表沉降隨著距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣距離的增加呈現(xiàn)出凹槽型變化，即隨著距離的增加，沉降變形呈現(xiàn)出先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定。最大沉降值為-5.8 mm，出現(xiàn)在樁后15 m 左右處；

3）錨索軸力變化最顯著的是第一道錨索，其值增長(zhǎng)了35.8%，大于其余四道錨索軸力變化；

4）樁錨支護(hù)體系下的計(jì)算值均小于預(yù)警值，證明支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全可行的。但其變形較小，安全儲(chǔ)備較高，不夠經(jīng)濟(jì)劃算，尚有一定的優(yōu)化空間。