陳千

摘 要：開(kāi)挖后的基坑，樁后土體有向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)基坑本身以及周?chē)ㄖ飳a(chǎn)生不利影響，因此選擇合適的支護(hù)方案是確保工程安全順利進(jìn)行的關(guān)鍵。本文以某深基坑工程實(shí)例為基礎(chǔ)，采用單排鉆孔灌注樁加冠梁、錨桿支護(hù)形式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試獲得土體的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)，應(yīng)用 Adina 大型有限元分析軟件對(duì)該工程的基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬分析，說(shuō)明在不同情況下隨著基坑開(kāi)挖深度的變化支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況。

關(guān)鍵詞：巖土工程;Adina 軟件;深基坑;支護(hù)結(jié)構(gòu);水平位移

深基坑支護(hù)屬臨時(shí)性工程，是綜合性的巖土工程難題，其技術(shù)復(fù)雜性遠(yuǎn)甚于永久性的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或上部結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合工程實(shí)例，應(yīng)用 Adina 軟件良好的非線性分析功能對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并對(duì)變形位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合，從而說(shuō)明利用 Adina大型有限元分析軟件模擬的可行性與可靠性。同時(shí)結(jié)合檢測(cè)與模擬結(jié)果分析不同支護(hù)參數(shù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。

一、工程概況

1.工程地質(zhì)情況。該基坑施工區(qū)間內(nèi)地勢(shì)平坦，周?chē)鸁o(wú)高層建筑物，安全等級(jí)二級(jí)，地下水位較高，無(wú)特殊地質(zhì)構(gòu)造，土層以及地下水分布情況如下：

（1）雜填土：由碎石、爐灰渣、砂土、粘性土等組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚 0. 6 ～1. 2m;（2）粉質(zhì)粘土：局部地段上部為細(xì)砂，呈松散狀態(tài)，層底埋深 1. 5 ～3. 3m;（3）中砂：黃褐色，局部地段上部為細(xì)砂，3m 左右以上呈松散狀態(tài)，3m 以下呈稍密狀態(tài)，層底埋深3. 7 ～4. 2m;（4）粗砂：黃褐色，含少量卵礫石，一般呈松散狀態(tài)，4m 以下呈中密狀態(tài)，層底埋深 4. 8 ～5. 5m;（5）礫砂：黃褐色，卵礫石含量 30% ～ 40%，稍濕，一般呈密實(shí)狀態(tài)，層底埋深 6. 1 ～7. 5m;（6）圓礫：黃褐色，卵礫石含量 60% ～80% 左右，以粗砂充填，一般呈密實(shí)狀態(tài)，層底埋深8. 2 ～14. 5m;（7）頁(yè)巖：底層埋深 16. 5 ～50m;（8）施工場(chǎng)地地下水位埋深 9. 5 ～9. 6m。

2.支護(hù)方案。根據(jù)工程情況以及水文地質(zhì)條件采用單排鉆孔灌注樁加冠梁、錨桿支護(hù)方式。按設(shè)計(jì)要求樁長(zhǎng) l =13m，樁徑 d = 0. 8m，支護(hù)樁中心距為 1. 4m，樁身混凝土等級(jí)為 C20，采用三層錨桿，錨桿選用 2Φ28 鋼筋，間距 1. 1m，角度為 30°，樁深入基坑開(kāi)挖面以下2m，樁身縱向主筋采用 12Φ22 鋼筋，箍筋采用 Φ10@200。樁頂設(shè) 0. 8m × 1m 的圈梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25;樁頂坡面及樁間土噴射強(qiáng)度等級(jí)為 C20，厚度為300mm 的混凝土。

3.水平位移監(jiān)測(cè)方案。為研究該施工區(qū)間內(nèi)基坑開(kāi)挖后支護(hù)樁的水平位移變形規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘的情況，工程采用測(cè)斜裝置對(duì)支護(hù)樁體的深部水平撓度值和周?chē)馏w的深部水平位移量進(jìn)行量測(cè)。測(cè)斜裝置由測(cè)斜管、測(cè)斜儀和數(shù)字式測(cè)讀儀組成。測(cè)斜管埋入墻體或者土體，通過(guò)測(cè)定測(cè)斜儀與垂直線之間的傾角的變化，求得不同深度部位的水平位移值。其計(jì)算原理如下：第 i 段的相對(duì)水平位移為Δ i = L i sinφ i 式中：L i 是第 i 段的垂直長(zhǎng)度，通常取 500mm;φ i是第 i 段的相對(duì)傾角。將測(cè)斜管沿深度方向分為 N段，編號(hào)自下而上進(jìn)行。設(shè)測(cè)斜管底端發(fā)生水平位移可忽略，即該點(diǎn)的水平位移偏差為零。則第 n 段深度處測(cè)斜管發(fā)生的水平位移偏差為Δ = ∑ Δ i =∑ L i sinφ i。

4.現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。鑒于不同位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的位移變形情況不同，拐點(diǎn)處的支護(hù)效果最佳，而跨中處支護(hù)樁的支護(hù)效果最差，所以選取具有代表性的 1/2 截面處的支護(hù)樁作為研究對(duì)象，采取分層開(kāi)挖，各開(kāi)挖工況如下：工況1，開(kāi)挖0 ～1m;工況2，開(kāi)挖1 ～2m;工況3，開(kāi)挖2 ～5m，并打錨桿;工況 4，開(kāi)挖 5 ～8m，并打錨桿;工況 5，開(kāi)挖8 ～11m，并打錨桿。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1 所示。由圖 1 可以看出支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移從開(kāi)挖時(shí)的幾毫米逐漸增加到開(kāi)挖結(jié)束后的幾十毫米，其中最大水平位移為 44. 6mm，出現(xiàn)在支護(hù)樁深度 6m 處，小于規(guī)范要求的 60mm 或 0. 006H（H 為開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后的基坑深度），說(shuō)明該基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)和施工方案是合理的。

二、 Adina 軟件建模

1.基本假定

（1）該基坑為方形，長(zhǎng)邊長(zhǎng)度與短邊長(zhǎng)度接近，利用對(duì)稱(chēng)性取半截面進(jìn)行分析。（2）樁身以及圈梁按線彈性體考慮，且按剛性連接，土體采用 D-P 彈塑性本構(gòu)模型。（3）土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)單元均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，不考慮樁土之間的粘著力和摩阻力。（4）基坑開(kāi)挖期間土體按不排水條件考慮，不考慮滲流和固結(jié)的影響。（5）支護(hù)樁 - 土之間接觸面假定為面 - 面接觸。（6）假設(shè)土體為均質(zhì)土且抗拉強(qiáng)度為 0。

2.計(jì)算模型及參數(shù)

3.建模計(jì)算。根據(jù)以上假設(shè)和各指標(biāo)參數(shù)，利用 Adina 軟件建立三維有限元計(jì)算模型，土體按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際土層條件劃分 7 層，底面關(guān)閉 Z 方向的自由度，使其不產(chǎn)生豎向位移，本構(gòu)模型采用 D-P 彈塑性本構(gòu)模型，樁和錨桿采用線彈性材料，錨桿采用 Rebar 單元，該模擬開(kāi)挖過(guò)程分 5 次開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，基坑開(kāi)挖過(guò)程通過(guò)單元生死來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于土體在自重應(yīng)力下產(chǎn)生固結(jié)，為更精確地模擬實(shí)際，在建模結(jié)束后需要施加初始地應(yīng)力，在 Adina 中可通過(guò)對(duì)模型施加重力作用近似得到初始應(yīng)力場(chǎng)。

三、有限元計(jì)算結(jié)果及分析

1.有限元計(jì)算結(jié)果。隨著開(kāi)挖深度的加深，支護(hù)樁的水平位移量也逐漸增大，開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，深度為 6m 處支護(hù)樁的水平位移最大且位移范圍最廣，支護(hù)樁水平位移隨開(kāi)挖深度的變化規(guī)律，由于冠梁和錨桿的協(xié)同作用其位移最大值平均出現(xiàn)在樁身 6m 處，因此在施工過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)樁身中部土體進(jìn)行適當(dāng)加固。

2.與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較。為確保施工進(jìn)程的安全，在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，當(dāng)開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后將支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，隨著開(kāi)挖深度的加深，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移逐漸增大，監(jiān)測(cè)位移值與計(jì)算值較為接近，前者基本保持在后者的 90% 以上，計(jì)算值是偏于安全的，因此可以說(shuō)明運(yùn)用 Adina 大型有限元分析軟件對(duì)基坑的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬是可行的。

四、結(jié)語(yǔ)

1.有限元模擬軟件的使用應(yīng)結(jié)合工程實(shí)例，根據(jù)不同的地質(zhì)情況和所要研究問(wèn)題的不同簡(jiǎn)化計(jì)算模型，進(jìn)行建模分析。本文各土層土體參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試得到，能夠較真實(shí)的反應(yīng)土體在施工中的各項(xiàng)力學(xué)性能，通過(guò)三維有限元模型的建立，樁-土接觸面采用面-面接觸，更能較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，因此對(duì)于具有類(lèi)似地質(zhì)條件的深基坑工程的施工有一定的參考價(jià)值。

2.樁身、冠梁的抗彎剛度、是否對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固 3 個(gè)因素對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移影響較大，是否對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固是最主要影響因素，在施工過(guò)程中對(duì)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固是必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 應(yīng)宏偉，初振環(huán)，李冰河，等.雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法研究及工程應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué)，2007，28（6）：1147 -1149.

[2] 李東杰，萬(wàn)林海，裴成玉. 復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的 FLAC-3D 數(shù)值模擬及變形分析[J]. 巖土工程界，2006，10（2）：25 -26.