楊泗港長江大橋北錨碇超深基坑支護結構數值模擬分析

(1.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司，武漢 430000;2.湖北工業大學土木建筑與環境學院，武漢 430000)

1 引言

近年來，深基坑開挖的穩定性是實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，附近會有很多相鄰建筑物、街道、地下管線、地下設施及地下水，這些因素都會使深基坑工程的施工條件變得復雜，且會造成基坑內外土體應力狀態的改變，從而導致土體的變形。深基坑監測不僅可以保證基坑支護和相鄰建筑物的安全，驗證支護結構設計，還可以指導基坑開挖和圍護結構的信息化施工，為完善設計分析提供必要的依據。許多研究人員針對深基坑支護結構的內力、變形以及地表沉降規律等問題進行深入研究，成果十分豐富。劉勇等[1]結合有限差分軟件FLAC 3D三維數值模擬程序和北京某深基坑實際監測數據進行對比，通過修正模型，使預測結果更趨近于實際監測結果。任建喜等[2]以西安地鐵2號線北大街車站深基坑工程為背景，運用FLAC模擬計算分析了圍護樁的變形、鋼支撐軸力變化和錨索受力變化的規律。趙彥慶等[3]通過對天津某地鐵車站明挖深基坑工程鋼支撐軸力的監測資料進行分析，得出基坑開挖過程中各層鋼支撐軸力的變化規律，同時，運用有限元軟件MIDAS/GTS對基坑開挖施工階段進行模擬分析，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則的多邊形，而楊泗港大橋深基坑圍護結構的特殊性，該圓形基坑采用地下連續墻作為圍護結構，逆做法施工內襯，基坑內部不設支撐，利用(連續墻和內襯)自身的拱效應提供支撐。根據工程具體情況，結合現場監測數據，運用有限元軟件對基坑進行模擬，將實測數據與模擬結果進行對比分析，總結基坑在開挖過程中土體與支護結構的變形規律。

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。漢陽側主塔高231.9m，武昌側主塔高243.9m，主塔基礎為沉井基礎，錨碇采用地連墻結構型式。

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《武漢楊泗港長江大橋工程地質初勘報告及部分詳勘報告和資料，對本建筑場地，工程地質分述如下：漢陽岸錨碇處覆蓋層中上部為全新統松散或中密狀粉、細砂，軟塑狀粉質黏土及流塑狀淤泥質粉質黏土，厚約31～33m，工程性能差； 覆蓋層中下部為硬塑—堅硬狀黏土夾密實狀圓土，工程性能好，厚約20～30m； 基巖埋深51～54m，主要為白堊—第三系泥泥質砂巖、疏松砂巖。錨碇基礎頂高程為24.0m，基礎底面高程為-15.0m，地連墻底面高程為-35.0m，基礎深39.0m，地連墻總深度59.0m，地連墻入中等膠結泥質砂巖內約5m。

3 開挖過程的數值模擬分析

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，擴展生成三維幾何形狀建立土體以及地下連續墻模型，然后輸入基本的巖土結構材料屬性，形成開挖前土體的初始應力，通過定義本構模型和賦予材料參數，從而限定模型對于外界擾動做出的變化規律。把初始平衡引起的位移歸零，定義計算區域的邊界條件、荷載、初始條件，以此來定義模型的初始狀態。

3.2 計算區域及邊界條件確定

土體采用修正摩爾庫倫模型，該土體本構是 Midas GTS NX新增本構，可以同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，采用 M-C 破壞準則，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，計算整個深基坑模型導致網格和節點過多，造成計算量大，使軟件計算的速度緩慢，所以選取該基坑北側的一段進行數值模擬，該段深基坑深度為39m，根據工程實際經驗，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。而對于計算域的邊界，一般是這樣考慮的：原則上此范圍要達到基坑開挖結構受力后不再產生變位影響的邊界為止。考慮到基坑形狀和所受荷載的對稱性，取1/4模型作為最終的計算模型(圖1)。開挖部分用實體單元模擬，計算模型的規模為105 257個單元。

圖1 楊泗港長江大橋基坑開挖1/4有限元模型

3.3 計算模型參數取值

地下連續墻、混凝土支撐按照理想彈性材料來模擬，土體的計算參數有：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1×10-61[T]，阻尼比0.05，粘聚力0.03 N/mm2，摩擦角36。滲透系數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 計算工況

計算模擬了基坑的開挖及支護的建造過程。實際工程中每次開挖深度為3m，數值模擬計算中按每步開挖深度3m設置一個工況，每層土層開挖與內襯施工分別設為一個工況，工況分析見表2，計算過程共考慮了26個工況。

表2 分析工況

3.5 數值模擬結果分析

3.5.1 地下連續墻應力與變形

由于地連墻結構體系相當于一個豎直的懸臂梁，在土壓力及地下水的作用下，在地連墻的根部會有較大的負彎矩，根部外側的拉應力會較大，但考慮實際情況，土體和基巖會有一定的變形，一部分應力會得到釋放，實際的拉應力會比計算值小。地下連續墻在基坑底部：即施工階段為第12層開挖土，最大值為0.901MPa； 最大壓應力為出現在第12層未加內襯施工前的時候，最大值為5.082MPa。地下連續墻最大主拉應力和最大主壓應力均小于C30混凝土強度設計值，說明地下連續墻在兩側對稱同步開挖條件下是安全的。地下連續墻在各個開挖工況下的變形和應力計算結果匯總見表3。

表3 地下連續墻應力與變形

3.5.2 內襯應力

根據表4數據，內襯結構最大主拉應力為1.015MPa，發生在第十二內襯施工完畢，位置多出現在中隔墻襯砌與2m厚弧形襯砌段交接區域的中隔墻襯砌部分區域。最大主壓應力為，發生在第12層內襯施工完畢，內襯最大主拉應力和最大主壓應力均小于C30混凝土強度設計值，說明內襯在兩側同步開挖條件下是安全的。

表4 各個開挖工況下的內襯應力

3.5.3 周圍土體沉降分析

以基坑開挖的中心作為圓點，首先，計算圍護結構的位移曲線； 其次，根據所求得的圍護結構變形曲線，將其劃分為利用正向轉動、反向轉動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，根據上文所求的對應于各種基本模式的經驗公式，求解每一基本模式所對應的坑外深層土體任意點沉降值，并對三者進行疊加，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，地下連續墻外側地面的沉降規律，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土體與地連墻之間設置了接觸單元，與實際情況符合，所以這個沉降分布比較符合通常的基坑開挖地連墻外側地表沉降的規律[7]。此外，通過具體的工程實例對坑外土體深層土體沉降經驗曲線進行了驗證，得到了較為吻合的結果。

圖2 土體沉降量的變化

表5為地下連續墻外側土體沉降量的變化情況，每個點值都是其對應施工階段的最大值，可以看到最后一個施工階段的沉降量最大，最大值為2.97mm； 第二個施工階段(地下連續墻與冠梁的施工)由于對地表的擾動較大，沉降會有一個突變，這個階段的地面沉降最大值為1.86mm。

4 實測結果

4.1 地下連續墻側向變形的比較分析

基坑開挖之前應在可能產生較大變形的部位做出系統的監測方案，依據設計要求和相關規定布置好監測點，繪制施工平面布置圖； 并與現場測量點一一對應[8]。根據要求，現場監測的內容主要地下連續墻水平位移及內力土體分層豎向位移。監測點如圖3所示。

圖3 監測點平面布置示意圖

由圖4現場監測和數值模擬對比發現，基坑在開挖初期還未設支撐的情況下，位移變形較為明顯，第一道內支撐架設之后，支護結構的位移受到一定控制，但地下連續墻的位移仍在緩慢持續增長，隨著基坑開挖深度的增加，地下連續墻變形整體呈“大肚”[9]，地下連續墻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 地連墻水平位移對比圖

在開挖到相同的深度時，雖然基坑的變形曲線趨勢基本一致，但變化量上監測值要小于數值模擬的數值。經分析得知，由于假定的計算條件與實際條件存在的差異性以及施工過程和巖土參數的變異性等原因，使得計算值與實測值存在一定差別[10]。例如本項目開挖地區降水量與地下水含量均較大，另外施工過程中支撐架設不及時，故而可能是導致檢測數值較小的主要原因。

4.2 內襯應力對比分析

內襯墻內設置三組應力監測剖面NC01～NC03，每個剖面按不同的深度埋設三組[11]，其中第一組應力計布置在帽梁頂向下15m處，以后每隔6m埋設一組，監測點如圖3所示。選擇NC01號測點處完成所有內襯的實測值和數值模擬值結果進行對比分析，兩者結果見表6。各個測點的應力基本以受拉，內襯的最大應力為20.0MPa。計算的內襯最大應力值1.6MPa。

表6 內襯NC01處測點應力實測值和計算值

為了滿足地連墻開挖階段的受力要求，在地連墻內側設置環形的剛性混凝土內襯，內襯作為地連墻的彈性支撐設置在地下連續墻內側。內襯的主要作用在于限制地下連續墻的變形，增加支護結構的剛度，所以圓形超深基坑支護結構本身變形很小，所以內襯由于地下連續墻的位移而產生的內力并不占主導地位[12-13]。

5 結論

以楊泗港長江大橋漢陽側錨碇基坑開挖為研究對象，利用Midas GTS NX 對不同基坑開挖過程和支護結構進行數值模擬，結合實際的監測數據，對超深基坑的圍護結構的受力性能和變形進行了研究，得出了以下主要結論：

(1)土體及地下連續墻的最大位移隨著開挖深度的增大而增大，應在后續施工中加強監測并制定相應措施控制變形發展；

(2)通過對基坑開挖的施工過程進行檢測，準確的掌握了基坑在各種工況下的內力和位移，保證了在基坑安全的情況下順利施工，同時，通過現場監測，還可以檢驗合計的合理性；

(3)在基坑底靠近地連墻根部的位置，最大拉應力相對偏大，說明這個部位受力狀況比較復雜，建議開挖時應注意增加支護結構；

(4)數值模擬結果表明在施工階段為第12層開挖土，最大值為3.901MPa； 最大壓應力為出現在第12層未加內襯施工前的時候，最大值為5.082MPa。

(5)數值模擬分析結果與實測結果基本吻合，數值上也比較接近，表明理論分析時建立的分析模型合理、參數選取可靠。

參考文獻

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