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1 引言

近年來，深基坑開挖的穩(wěn)定性是實(shí)踐中遇到的主要問題。大量的深基坑開挖都分布在建筑物比較密集的地區(qū)，附近會(huì)有很多相鄰建筑物、街道、地下管線、地下設(shè)施及地下水，這些因素都會(huì)使深基坑工程的施工條件變得復(fù)雜，且會(huì)造成基坑內(nèi)外土體應(yīng)力狀態(tài)的改變，從而導(dǎo)致土體的變形。深基坑監(jiān)測(cè)不僅可以保證基坑支護(hù)和相鄰建筑物的安全，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以指導(dǎo)基坑開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的信息化施工，為完善設(shè)計(jì)分析提供必要的依據(jù)。許多研究人員針對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形以及地表沉降規(guī)律等問題進(jìn)行深入研究，成果十分豐富。劉勇等[1]結(jié)合有限差分軟件FLAC 3D三維數(shù)值模擬程序和北京某深基坑實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過修正模型，使預(yù)測(cè)結(jié)果更趨近于實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果。任建喜等[2]以西安地鐵2號(hào)線北大街車站深基坑工程為背景，運(yùn)用FLAC模擬計(jì)算分析了圍護(hù)樁的變形、鋼支撐軸力變化和錨索受力變化的規(guī)律。趙彥慶等[3]通過對(duì)天津某地鐵車站明挖深基坑工程鋼支撐軸力的監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，得出基坑開挖過程中各層鋼支撐軸力的變化規(guī)律，同時(shí)，運(yùn)用有限元軟件MIDAS/GTS對(duì)基坑開挖施工階段進(jìn)行模擬分析，得出基坑在不同開挖階段鋼支撐軸力云圖，并與實(shí)際施工階段較為接近[4-5]。

由于地下深基坑一般為矩形或不規(guī)則的多邊形，而楊泗港大橋深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的特殊性，該圓形基坑采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，逆做法施工內(nèi)襯，基坑內(nèi)部不設(shè)支撐，利用(連續(xù)墻和內(nèi)襯)自身的拱效應(yīng)提供支撐。根據(jù)工程具體情況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限元軟件對(duì)基坑進(jìn)行模擬，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)基坑在開挖過程中土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

2 工程概況

江大橋工程全長4.13km，主橋采用主跨1 700m的單跨懸吊鋼桁梁懸索橋，主桁為華倫式桁架。漢陽側(cè)主塔高231.9m，武昌側(cè)主塔高243.9m，主塔基礎(chǔ)為沉井基礎(chǔ)，錨碇采用地連墻結(jié)構(gòu)型式。

主纜跨度為465m+1700m+465m=2630m，主跨1 700m，邊跨465m，邊主跨比0.274，主跨矢跨比1/9。根據(jù)《武漢楊泗港長江大橋工程地質(zhì)初勘報(bào)告及部分詳勘報(bào)告和資料，對(duì)本建筑場(chǎng)地，工程地質(zhì)分述如下：漢陽岸錨碇處覆蓋層中上部為全新統(tǒng)松散或中密狀粉、細(xì)砂，軟塑狀粉質(zhì)黏土及流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚約31～33m，工程性能差； 覆蓋層中下部為硬塑—堅(jiān)硬狀黏土夾密實(shí)狀圓土，工程性能好，厚約20～30m； 基巖埋深51～54m，主要為白堊—第三系泥泥質(zhì)砂巖、疏松砂巖。錨碇基礎(chǔ)頂高程為24.0m，基礎(chǔ)底面高程為-15.0m，地連墻底面高程為-35.0m，基礎(chǔ)深39.0m，地連墻總深度59.0m，地連墻入中等膠結(jié)泥質(zhì)砂巖內(nèi)約5m。

3 開挖過程的數(shù)值模擬分析

3.1 有限元模型的建立步驟

首先由AutoCAD保存成的DXF或DWG二維線框格式幾何曲線，擴(kuò)展生成三維幾何形狀建立土體以及地下連續(xù)墻模型，然后輸入基本的巖土結(jié)構(gòu)材料屬性，形成開挖前土體的初始應(yīng)力，通過定義本構(gòu)模型和賦予材料參數(shù)，從而限定模型對(duì)于外界擾動(dòng)做出的變化規(guī)律。把初始平衡引起的位移歸零，定義計(jì)算區(qū)域的邊界條件、荷載、初始條件，以此來定義模型的初始狀態(tài)。

3.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件確定

土體采用修正摩爾庫倫模型，該土體本構(gòu)是 Midas GTS NX新增本構(gòu)，可以同時(shí)考慮剪切硬化和壓縮硬化，采用 M-C 破壞準(zhǔn)則，適合于多種土類的破壞和變形行為的描述。該模型克服了 M-C 模型的一些弊端，如該模型可模擬初次加載和卸載—再加載之間的剛度差別。由于深基坑面積較大，計(jì)算整個(gè)深基坑模型導(dǎo)致網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)過多，造成計(jì)算量大，使軟件計(jì)算的速度緩慢，所以選取該基坑北側(cè)的一段進(jìn)行數(shù)值模擬，該段深基坑深度為39m，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖影響深度為開挖深度的2～4 倍，影響寬度為開挖深度的3～4 倍，由此來確定模型的影響范圍。而對(duì)于計(jì)算域的邊界，一般是這樣考慮的：原則上此范圍要達(dá)到基坑開挖結(jié)構(gòu)受力后不再產(chǎn)生變位影響的邊界為止?？紤]到基坑形狀和所受荷載的對(duì)稱性，取1/4模型作為最終的計(jì)算模型(圖1)。開挖部分用實(shí)體單元模擬，計(jì)算模型的規(guī)模為105 257個(gè)單元。

圖1 楊泗港長江大橋基坑開挖1/4有限元模型

3.3 計(jì)算模型參數(shù)取值

地下連續(xù)墻、混凝土支撐按照理想彈性材料來模擬，土體的計(jì)算參數(shù)有：容重、泊松比、黏聚力、摩擦角、彈性模量、膨脹角，體積模量、切變模量計(jì)算公式為：

式中，K 為體積模量； E為彈性模量； ν為泊松比； G為切變模量。

模型類型均為各向同性—莫爾—庫倫，泊松比0.3，熱膨脹系數(shù)1×10-61[T]，阻尼比0.05，粘聚力0.03 N/mm2，摩擦角36。滲透系數(shù)kx、ky、kz方向均為0.01mm/sec，初始孔隙比0.5。

表1 土體的彈性模量及容重

3.4 計(jì)算工況

計(jì)算模擬了基坑的開挖及支護(hù)的建造過程。實(shí)際工程中每次開挖深度為3m，數(shù)值模擬計(jì)算中按每步開挖深度3m設(shè)置一個(gè)工況，每層土層開挖與內(nèi)襯施工分別設(shè)為一個(gè)工況，工況分析見表2，計(jì)算過程共考慮了26個(gè)工況。

表2 分析工況

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.5.1 地下連續(xù)墻應(yīng)力與變形

由于地連墻結(jié)構(gòu)體系相當(dāng)于一個(gè)豎直的懸臂梁，在土壓力及地下水的作用下，在地連墻的根部會(huì)有較大的負(fù)彎矩，根部外側(cè)的拉應(yīng)力會(huì)較大，但考慮實(shí)際情況，土體和基巖會(huì)有一定的變形，一部分應(yīng)力會(huì)得到釋放，實(shí)際的拉應(yīng)力會(huì)比計(jì)算值小。地下連續(xù)墻在基坑底部：即施工階段為第12層開挖土，最大值為0.901MPa； 最大壓應(yīng)力為出現(xiàn)在第12層未加內(nèi)襯施工前的時(shí)候，最大值為5.082MPa。地下連續(xù)墻最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力均小于C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，說明地下連續(xù)墻在兩側(cè)對(duì)稱同步開挖條件下是安全的。地下連續(xù)墻在各個(gè)開挖工況下的變形和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

表3 地下連續(xù)墻應(yīng)力與變形

3.5.2 內(nèi)襯應(yīng)力

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力為1.015MPa，發(fā)生在第十二內(nèi)襯施工完畢，位置多出現(xiàn)在中隔墻襯砌與2m厚弧形襯砌段交接區(qū)域的中隔墻襯砌部分區(qū)域。最大主壓應(yīng)力為，發(fā)生在第12層內(nèi)襯施工完畢，內(nèi)襯最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力均小于C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，說明內(nèi)襯在兩側(cè)同步開挖條件下是安全的。

表4 各個(gè)開挖工況下的內(nèi)襯應(yīng)力

3.5.3 周圍土體沉降分析

以基坑開挖的中心作為圓點(diǎn)，首先，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移曲線； 其次，根據(jù)所求得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形曲線，將其劃分為利用正向轉(zhuǎn)動(dòng)、反向轉(zhuǎn)動(dòng)及撓曲三種不同的基本變形模式，并確定三種模式的位移最大值[6]； 最后，根據(jù)上文所求的對(duì)應(yīng)于各種基本模式的經(jīng)驗(yàn)公式，求解每一基本模式所對(duì)應(yīng)的坑外深層土體任意點(diǎn)沉降值，并對(duì)三者進(jìn)行疊加，從而才能求得坑外任意深度處土體的沉降值。從圖2可以看到，地下連續(xù)墻外側(cè)地面的沉降規(guī)律，最大沉降在距離地連墻3到4m范圍，最大值為2.41mm。由于有限元模型在外側(cè)土體與地連墻之間設(shè)置了接觸單元，與實(shí)際情況符合，所以這個(gè)沉降分布比較符合通常的基坑開挖地連墻外側(cè)地表沉降的規(guī)律[7]。此外，通過具體的工程實(shí)例對(duì)坑外土體深層土體沉降經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了較為吻合的結(jié)果。

圖2 土體沉降量的變化

表5為地下連續(xù)墻外側(cè)土體沉降量的變化情況，每個(gè)點(diǎn)值都是其對(duì)應(yīng)施工階段的最大值，可以看到最后一個(gè)施工階段的沉降量最大，最大值為2.97mm； 第二個(gè)施工階段(地下連續(xù)墻與冠梁的施工)由于對(duì)地表的擾動(dòng)較大，沉降會(huì)有一個(gè)突變，這個(gè)階段的地面沉降最大值為1.86mm。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

4.1 地下連續(xù)墻側(cè)向變形的比較分析

基坑開挖之前應(yīng)在可能產(chǎn)生較大變形的部位做出系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方案，依據(jù)設(shè)計(jì)要求和相關(guān)規(guī)定布置好監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制施工平面布置圖； 并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)[8]。根據(jù)要求，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要地下連續(xù)墻水平位移及內(nèi)力土體分層豎向位移。監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置示意圖

由圖4現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，基坑在開挖初期還未設(shè)支撐的情況下，位移變形較為明顯，第一道內(nèi)支撐架設(shè)之后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移受到一定控制，但地下連續(xù)墻的位移仍在緩慢持續(xù)增長，隨著基坑開挖深度的增加，地下連續(xù)墻變形整體呈“大肚”[9]，地下連續(xù)墻x方向最大水平位移為5.40mm，y方向最大水平位移為6.47mm。

圖4 地連墻水平位移對(duì)比圖

在開挖到相同的深度時(shí)，雖然基坑的變形曲線趨勢(shì)基本一致，但變化量上監(jiān)測(cè)值要小于數(shù)值模擬的數(shù)值。經(jīng)分析得知，由于假定的計(jì)算條件與實(shí)際條件存在的差異性以及施工過程和巖土參數(shù)的變異性等原因，使得計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定差別[10]。例如本項(xiàng)目開挖地區(qū)降水量與地下水含量均較大，另外施工過程中支撐架設(shè)不及時(shí)，故而可能是導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)值較小的主要原因。

4.2 內(nèi)襯應(yīng)力對(duì)比分析

內(nèi)襯墻內(nèi)設(shè)置三組應(yīng)力監(jiān)測(cè)剖面NC01～NC03，每個(gè)剖面按不同的深度埋設(shè)三組[11]，其中第一組應(yīng)力計(jì)布置在帽梁頂向下15m處，以后每隔6m埋設(shè)一組，監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖3所示。選擇NC01號(hào)測(cè)點(diǎn)處完成所有內(nèi)襯的實(shí)測(cè)值和數(shù)值模擬值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，兩者結(jié)果見表6。各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力基本以受拉，內(nèi)襯的最大應(yīng)力為20.0MPa。計(jì)算的內(nèi)襯最大應(yīng)力值1.6MPa。

表6 內(nèi)襯NC01處測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值

為了滿足地連墻開挖階段的受力要求，在地連墻內(nèi)側(cè)設(shè)置環(huán)形的剛性混凝土內(nèi)襯，內(nèi)襯作為地連墻的彈性支撐設(shè)置在地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)。內(nèi)襯的主要作用在于限制地下連續(xù)墻的變形，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，所以圓形超深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)本身變形很小，所以內(nèi)襯由于地下連續(xù)墻的位移而產(chǎn)生的內(nèi)力并不占主導(dǎo)地位[12-13]。

5 結(jié)論

以楊泗港長江大橋漢陽側(cè)錨碇基坑開挖為研究對(duì)象，利用Midas GTS NX 對(duì)不同基坑開挖過程和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)超深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能和變形進(jìn)行了研究，得出了以下主要結(jié)論：

(1)土體及地下連續(xù)墻的最大位移隨著開挖深度的增大而增大，應(yīng)在后續(xù)施工中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并制定相應(yīng)措施控制變形發(fā)展；

(2)通過對(duì)基坑開挖的施工過程進(jìn)行檢測(cè)，準(zhǔn)確的掌握了基坑在各種工況下的內(nèi)力和位移，保證了在基坑安全的情況下順利施工，同時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，還可以檢驗(yàn)合計(jì)的合理性；

(3)在基坑底靠近地連墻根部的位置，最大拉應(yīng)力相對(duì)偏大，說明這個(gè)部位受力狀況比較復(fù)雜，建議開挖時(shí)應(yīng)注意增加支護(hù)結(jié)構(gòu)；

(4)數(shù)值模擬結(jié)果表明在施工階段為第12層開挖土，最大值為3.901MPa； 最大壓應(yīng)力為出現(xiàn)在第12層未加內(nèi)襯施工前的時(shí)候，最大值為5.082MPa。

(5)數(shù)值模擬分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，數(shù)值上也比較接近，表明理論分析時(shí)建立的分析模型合理、參數(shù)選取可靠。

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