不同設計參數取值對基坑工程設計的影響研究

趙　鑫, 張良平, 程方權, 強魯斌, 麻　斌

(長江巖土工程總公司(武漢),湖北 武漢　430010)

0　引言

基坑工程的穩定性問題長久以來都是巖質邊坡的一個重要研究課題,因為它涉及到民建工程、大型水利工程、礦山開采工程等許多工程領域,所以能否正確評價基坑開挖工程的穩定性直接影響到建設資金的投入回報以及施工的安全保障。通過幾十年學者對其不懈的努力,基坑工程的穩定性分析方法發展很多,但是每種方法都有自己一定的適用條件,這是因為每種方法都有著自己的特點。因此如何建立合理的數值分析模型以適應具體基坑工程的地質環境條件,精確地分析它的精度需求,進而有效合理地選取與實際情況相適應的基坑工程穩定性分析方法,是一項值得研究的重要課題[1]。

1　不同應力路徑下土體的變形性狀對比分析

試驗土樣取自桂林市典型的融縣組石灰巖殘積紅粘土,進行兩組試驗:A組卸荷試驗(軸向應力σ1保持不變,側向應力σ3逐漸減小);B組常規試驗(側向應力σ3保持不變,軸向應力σ1逐漸增加),對比分析應力路徑的不同對土體變形特性的影響[2]。

為了更加直觀地對不同應力路徑下的土體應力—應變關系曲線加以比較,現將同一固結壓力下的兩組試驗應力—應變關系曲線繪制在一起,如圖1-圖2為固結壓力100 kPa關系曲線、圖3-圖4為固結壓力300 kPa關系曲線。從圖中可以看到,土體的應力—應變關系曲線在剪切的初始階段近似表現為直線關系,但是隨著應力差的持續增加,土體的應力—應變關系曲線便會表現出明顯的非線性關系。從圖中還能夠看出,土體在發生破壞時的應變基本上是在15%,可以說明在三軸試驗中,常規應力路徑下的試驗采用的以應變15%的主應力差作為破壞點同樣也適用于卸荷應力路徑下的土體。因為考慮到(σ1-σ3)-ε1曲線在出現應力差峰值后的點已經不能夠滿足Δσ1=0的先決條件,所以只考慮出現峰值點前(包括峰值點)的情況,來進行卸荷應力路徑條件下的土體變形特性的分析。

圖1　圍壓為100 kPa時應力—應變關系曲線

圖2　圍壓為100 kPa時ε1/(σ1-σ3)-ε1關系曲線

圖3　圍壓為300 kPa時應力—應變關系曲線

圖4　圍壓為300 kPa時ε1/(σ1-σ3)-ε1關系曲線

從上圖可以看出,土體(σ1-σ3)-ε1關系曲線在卸荷或常規應力路徑條件下,如果不考慮峰值點后的點,則其應力—應變關系基本上表現為雙曲線關系,變化坐標后擬合的ε1/(σ1-σ3)-ε1的關系,均呈現出近似的線性關系;在同一固結壓力下,相同的軸向應變下,卸荷應力路徑條件下的極限強度總是低于常規應力路徑條件下的極限強度,所以如果在基坑設計時采用常規試驗取得的土體參數進行設計計算,對于基坑工程的施工是偏于危險的。同時,還需提出的是,各組曲線的初始切線斜率均隨著固結壓力的增大而增大。

2　基坑開挖工程有限元模型建立

基坑開挖的過程就是基坑內土體的豎直方向卸載和基坑側向水平方向卸載的過程,這一土體卸載的過程改變了基坑內土體的初始應力狀態,基坑側向水平土體由于卸荷的作用,可能引起土體向坑內產生位移變形,而基坑底部的土體可能產生垂直向上的隆起,坑底隆起主要原因是因為豎直方向卸載減小了土體的初始地應力,坑底的隆起量隨著開挖深度的不同而變化,在開挖初期土體僅僅發生可以恢復的彈性變形,此時坑底的中部隆起量最大,并且這種隆起量基本上不會產生坑側土體向坑內的變形,隨著開挖深度的加大,坑底土體產生不可恢復的塑性變形,而且坑側土體也因為坑底的塑性變形與地面上的各種荷載的共同作用向坑內方向產生變形移動,同時使基坑周圍的土體出現屈服區域,并且坑底土體的塑性隆起以及坑周土體的側向位移使基坑周邊鄰近的地層出現沉降。

本次模擬計算采用FLAC3D程序進行:基坑的分析范圍,長×寬×高=15 m×15 m×20 m,開挖長×寬×深=5 m×5 m×6 m,分三步開挖。為了對比分析進行土體三軸剪切試驗在常規應力路徑下與卸荷應力路徑下得出的參數指標,故本次模擬計算中沒有加入支護結構,表1為本次模擬試驗采用的計算參數,本構模型采用摩爾—庫倫模型[3](圖5)。

表1　土體的計算參數

圖5　網格及邊界條件

3　數值分析結果

3.1　數值分析云圖

數值分析云圖見圖6-圖8。

3.2　采取不同參數計算結果對比分析(見表2)

表2　基坑側向位移的對比數據

由基坑水平方向位移圖(圖8)可以看出,采用三軸卸荷試驗取得的指標參數求得的水平方向的位移為7.09 mm,大于采用常規三軸試驗取得的指標參數求得的計算結果6.00 mm。特別是在基坑周邊的土體,在施工工藝與其他施工條件完全相同的情況下,用卸荷路徑條件下三軸剪切試驗獲取的材料參數指標計算的最大水平方向變形是常規應力路徑下三軸剪切試驗獲取的材料參數指標計算的最大水平方向變形的1.18倍。這一對比分析結果可以表明,在基坑開挖工程中,土體的側向卸荷過程較普通的常規過程,其抗剪強度指標降低,也就是說土體的抵抗變形的能力也降低了。

圖6　基坑豎向位移圖

圖7　基坑水平方向應力圖

圖8　基坑水平方向位移圖

一般基坑支護體系設計的主要內容之一就是要考慮基坑土體的水平變形對鄰近場地環境的影響。通過上述比較可以看出,采用三軸卸荷試驗取得的指標參數計算的水平方向的變形量比常規三軸試驗計算的水平方向的變形量增大了近18%,這一不小的差距不能忽視,尤其是對基坑鄰近場地建筑物的水平移動以及豎向的沉降造成了不小的影響。

由基坑豎向位移圖(圖6)可以看出,卸荷指標計算的最大坑底隆起量為7.44 cm，常規指標計算的最大坑底隆起量為6.79 cm,坑周最大沉降,卸荷指標計算值為2.24 mm,常規指標計算值為2.08 mm。由圖7基坑水平方向應力圖可以看出,卸荷指標計算值為82.9 kPa,常規指標計算值為70.0 kPa。卸荷試驗計算指標結果均大于常規試驗指標計算結果。這一結果表明,基坑開挖工程中,側向卸荷的過程對土體的應力—應變性狀有著很深的影響。如果不考慮基坑土體的開挖卸荷過程對土體抗剪強度指標的影響,在實際工程中設計計算基坑支護體系時,將會使支護體系水平方向的變形以及基坑周圍地表沉降的預測偏小。這對基坑支護體系本身的安全以及基坑鄰近場地的安全穩定都將構成潛在的巨大隱患[4]。

4　結論

在基坑設計施工中,基坑的開挖是一個土體卸荷的過程,如果按照常規試驗所得參數進行基坑支護設計,將違背土體真實的應力路徑,勢必會對基坑的穩定性計算產生誤差,側向卸荷應力路徑下的三軸試驗指標計算的坑周水平變形、水平方向土壓力、坑底隆起量以及地面沉降均較常規應力路徑下的三軸試驗指標的計算結果偏大,其中坑周水平變形量前者是后者的1.18倍,水平方向土壓力前者是后者的1.18倍。故如果在基坑工程支護結構的計算設計中,不考慮基坑開挖卸荷對土體本構關系及強度指標的影響將使支護結構上的土壓力計算偏小,支護結構水平變形的預測偏于不安全。

參考文獻:

[1]顧曉魯,錢鴻縉,劉惠珊,汪時敏.地基與基礎[M].3版.北京:中國建筑工業出版社，2003.

[2]趙鑫,陳學軍.不排水條件下基坑卸荷土體變形機理研究(Ⅰ)[J].四川建筑科學研究,2010，36(5):117-119.

[3]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]趙鑫.卸荷條件下土體變形性狀研究——以桂林地區紅粘土為例[D].武漢：中國地質大學(武漢),2011.