基于硬化土模型的基坑變形預(yù)測應(yīng)用分析

于 海 兵

(石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000)

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基于硬化土模型的基坑變形預(yù)測應(yīng)用分析

于 海 兵

(石家莊市軌道交通有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050000)

以石家莊地鐵某車站深基坑工程項目為例，采用有限元法，對基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而對基坑變形作出有效的模擬和預(yù)測，進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計施工方案，為類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

硬化土模型，基坑變形，數(shù)值模擬，位移

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，在建筑物密集、地下管線密布的城市地區(qū)，深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。基坑開挖施工過程中引起周邊地層應(yīng)力狀態(tài)改變，從而產(chǎn)生位移。如基坑設(shè)計不合理，施工方法不得當(dāng)，則基坑開挖引起的周邊位移變化將影響臨近建(構(gòu))筑物和地下管線的安全。石家莊地鐵車站基坑多采用明(蓋)挖法施工，地層以第四系洪積砂土和粘性互層為主，開挖過程中砂土穩(wěn)定性差。基坑變形預(yù)測可在一定程度上確保設(shè)計、施工方案的安全可行。本文以石家莊地鐵某車站為例，采用有限元法對基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而預(yù)測施工過程位移變化情況，并反饋到設(shè)計施工中，優(yōu)化設(shè)計施工方案，為類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

石家莊地鐵某車站位于中山西路和長興街丁字路口處，設(shè)計里程為DK0+217.434～DK0+513.841，總長296.34 m。有效站臺中心里程為DK0+426.841。車站為地下雙層島式站臺車站，站臺寬12.0 m。主體結(jié)構(gòu)基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約為16.485 m，盾構(gòu)井段開挖深度約為17.718 m。基坑標(biāo)準(zhǔn)段采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐形式。鋼支撐采用φ630 mm鋼管，壁厚16 mm，標(biāo)準(zhǔn)段第一排鋼支撐水平間距為6 000 mm左右，第二、三排鋼支撐水平間距為3 000 mm左右，端頭井處豎向共四道支撐，并設(shè)置換撐一道。

2 計算模型

2.1 巖土體本構(gòu)模型選擇

結(jié)合實(shí)際情況、土層情況和適用的模型，本文采用了硬化土模型(HS)對土體進(jìn)行了模擬。

2.2 計算模型及材料參數(shù)

根據(jù)基坑現(xiàn)場實(shí)際情況，本次模型邊界寬取40 m，深35 m。采用基坑的1/2作為研究對象。土層參數(shù)選取時，一些相關(guān)參數(shù)和強(qiáng)度折減因子根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)采用經(jīng)驗(yàn)值(一般取Eur=3E50和Eoed=E50作為不同土體類型的平均值，但是，對于非常軟的土或者非常硬的土通常會給出不同的Eoed/E50比值。本模型根據(jù)實(shí)際情況相應(yīng)調(diào)整)，并給予模型如下合理假定：模型左右邊界的水平位移為零，允許產(chǎn)生豎向位移；下邊界任意方向豎向和水平位移為零；土層參數(shù)見表1。

表1 土層物理參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分和初始條件

本次計算模型采用15節(jié)點(diǎn)單元，并對板單元進(jìn)行加密。本工程地下水位埋深較大，孔隙水壓力不予考慮，基坑開挖前土體自重引起的初始應(yīng)力云圖如圖1所示。

2.4 模型計算過程

本基坑開挖分8個工序進(jìn)行開挖，即施作鉆孔樁→開挖至1.5 m→施工第1道支撐→開挖至7.5 m→施工第2道支撐→開挖至12.5 m→施工第3道支撐→開挖至基底。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 水平位移計算結(jié)果及分析

不同開挖深度時的水平位移變化情況如圖2所示。當(dāng)基坑開挖至1.5 m,7.5 m,12.5 m,16.5 m時的最大水平位移分別為0.6 mm,1.5 mm,2.4 mm,3.2 mm。隨基坑開挖深度的增加，水平位移不斷增大，最大水平位移發(fā)生位置不斷下移，最大水平位移均發(fā)生在基坑底部位置附近。

3.2 豎向位移計算結(jié)果及分析

不同開挖深度時的豎向位移變化情況如圖3所示。當(dāng)基坑開挖至1.5 m,7.5 m,12.5 m,16.5 m時的最大地表沉降分別為0.6 mm,1.6 mm,2.8 mm,3.2 mm。隨基坑開挖深度的增加，地表沉降不斷增大，地表沉降影響范圍不斷增大。

3.3 內(nèi)支撐支護(hù)作用分析

根據(jù)圖2,圖3所表現(xiàn)的不同開挖深度時的位移情況，分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐作用，如表2所示。

表2 分步開挖的位移及內(nèi)支撐支護(hù)作用分析

由表2可知：基坑在不同開挖階段，基坑周邊變形最大值與開挖深度比值在0.19‰～0.47‰之間，說明本基坑在圍護(hù)樁+內(nèi)支撐的支護(hù)形式下不會有大的變形，內(nèi)支撐在開挖過程中的特征如下：

1)架設(shè)支撐后，隨著基坑開挖深度的加大，抑制了土體變形和變形速率，土體的受力狀態(tài)也發(fā)生了一定的改變，在一定程度上低于臨界破壞狀態(tài)。

2)土體的塑性分布區(qū)域隨支撐的應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散逐漸減少，基坑側(cè)壁最大彎矩也隨之減少，周邊土體的承載力得到充分發(fā)揮。

3)在開挖深度內(nèi)，水平位移表現(xiàn)為上部小，中部較大，底部漸緩的變形規(guī)律，最大豎向位移位于坑底，因此，基坑在預(yù)防側(cè)壁變形的同時，同時注意基坑隆起變形。

4 結(jié)語

有限元軟件在變形預(yù)測中所起到的作用主要如下：

1)通過有限元軟件模擬，能夠直觀了解基坑開挖之前土體因自重引起的初始應(yīng)力狀態(tài)，依此便可以預(yù)測基坑開挖過程中，基坑因土體卸荷而受到的影響。

2)通過對不同開挖深度時樁頂水平位移和地表豎向位移進(jìn)行模擬，可知所建立的支撐體系對樁頂變形和地表變形起到的效果，可以預(yù)測下一道支撐是否需要增大預(yù)應(yīng)力等來減小基坑的變形。

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[5] 向 瑋，張愛軍，高 偉.深基坑施工變形預(yù)測與控制方法研究[J].巖土工程學(xué)報，2012(8)：18.

Excavation deformation forecast analysis based on the hardening soil model

Yu Haibing

(The Rail Transit Co., Ltd of Shijiazhuang City， Shijiazhuang 050000, China)

Taking the deep foundation engineering project of Shijiazhuang subway station as an example, applying finite element method, the paper carries out numerical simulation analysis for the foundation excavation process, furthermore makes effective foundation deformation simulation and prediction, and optimizes the design and construction scheme, which has provided some guidance and reference for similar engineering.

soil-hardening model, foundation deformation, numerical simulation, displacement

1009-6825(2017)12-0066-02

2017-02-20

于海兵(1978- ),男，工程師

TU463

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