相鄰深基坑分區階次卸載過程中的圍護變形性狀分析*

2015-09-18 02:50:16

建筑施工 2015年2期

關鍵詞：背景有限元變形

1 工程概況

1.1 工程背景

擬建工程位于上海浦東新區，四周以市政道路為主，基坑南側另有一地塊進行施工，與本地塊最小距離僅8 m。

背景工程占地面積15 000 m2，開挖深度11～12 m，共3 道支撐，圍護采用厚800 mm地下連續墻，墻深26 m。采用分區施工方法進行基坑開挖（圖1）。1區基坑出±0.00 m后再進行2區基坑施工。

相鄰工程占地面積55 000 m2，開挖深度28 m，共5 道支撐，圍護采用厚1 200 mm地下連續墻，墻深53 m。采用順逆結合方法進行施工（圖2），即A1、A2、A3為順作法，其余逆作法施工。2 個工程之間另建有雨水泵房。

1.2 計算分析對象

由于2 個工程項目同時開挖，且基坑圍護最小間距為8 m，不到基坑1 倍的開挖深度，2 個基坑開挖極有可能會產生相互影響，故本次數值模擬需要重點計算的對象為背景工程南側和相鄰工程北側兩面圍護的水平變形。

2 有限元數值模擬

2.1 有限元分析模型

2.1.1 有限元模型簡化

圖1 背景工程分區開挖示意

圖2 相鄰工程分區開挖示意

采用通用有限元分析軟件Midas-gts進行基坑開挖過程的有限元數值模擬。對計算剖面簡化分析，建立三維有限元模型進行數值模擬計算，主要簡化如下[1-4]：

1）相鄰工程的簡化：由于相鄰工程開挖面積較大，模擬中全部建入模型將會導致模型過于龐大，考慮到本次模擬重點關注對象為2 個基坑之間的兩面圍護。本次對相鄰基坑的模擬僅為A2區域和周邊逆作區，對A1、A3區域不進行建模數值分析。

2）初始應力場的模擬：根據地勘資料，考慮不同的土體分層重度，計算基坑開挖前土體初始應力場分布。

3）連續介質的模擬：有限元數值計算中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，圍護結構、地下結構采用線彈性模型。

4）基坑開挖過程的模擬：通過有限元軟件的“單元生死”模擬基坑工程圍護結構和各層土體的分層開挖以及各層水平支撐的施工過程，根據施工工況模擬基坑開挖到基底的全過程。

2.1.2 有限元幾何模型

現對有限元計算所需的尺寸說明如下：根據以往的工程經驗及有限元計算結果，基坑開挖影響寬度約為開挖深度的3 倍，影響深度約為它的3～4 倍，背景工程開挖深度約為它的12 m，故綜合考慮基坑開挖施工對周圍巖土體的影響，確定計算模型背景工程東側、西側兩邊向外延伸45 m。由于背景工程北側、相鄰工程南側非本次模擬關注對象，故模擬中向外延伸20～30 m。考慮到相鄰工程開挖深度為28 m，本次模擬中深度方向為100 m。

2.1.3 有限元材料模型

本次計算中采用實體單元模擬巖土體，采用板單位來模擬地下連續墻和結構板，采用梁單元模擬支撐。數值分析中均采用Mohr-Coulumb本構模型對場地巖土體進行模擬。根據勘測報告，對各種土體物理力學參數進行取值。

2.1.4 有限元邊界條件

本模型采用標準邊界形式，即計算模型底部節點限制其水平向和豎向位移為0，四周面限制水平面（X、Y方向）位移為0，上表面為自由面。

2.2 有限元網格模型

土體采用8 個節點的實體單元作為基本單元類型，本基坑開挖工程的有限元網格模型如圖3所示。

2.3 工況分析

本次模擬采用彈塑性計算，分步施工。根據實際工程施工部署，2 個基坑采用對稱開挖進行施工，步序為：初始地應力場計算→地下連續墻施工→背景工程1區、相鄰工程A2順作區加第1道支撐，開挖土體至第2層支撐→背景工程1區、相鄰工程A2順作區加第2道支撐，開挖土體至第3層支撐→背景工程1區基坑開挖至坑底、相鄰工程A2順作區加第3道支撐→背景工程1區大底板施工，相鄰工程A2順作區土體開挖至第4層支撐→背景工程1區基坑回做結構，相鄰工程A2順作區土體開挖至第5層支撐，加第4道支撐→背景工程1區做到地表，相鄰工程A2順作區開挖到坑底，加第5道支撐。初始地應力場見圖4。