數(shù)值模擬在深基坑開挖過程中的應(yīng)用研究

陳德紹 陳琰 孫文凱

文章運(yùn)用Plaxis2d軟件對(duì)深基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并以柳州市橋都小苑深基坑施工過程為例，通過對(duì)垂直位移與水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了數(shù)值分析方法具有較好的模擬精度，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

數(shù)值模擬;位移;深基坑;監(jiān)測

U491-A-46-165-4

0?引言

深基坑在開挖和后期施工過程中，除了需要保證基坑自身的穩(wěn)定性以外，還要確保基坑周邊的建筑物和地下管網(wǎng)不受損壞。如果能對(duì)基坑開挖過程中周邊位移變形過程進(jìn)行模擬，提前知道各部位的變形情況，做好應(yīng)對(duì)措施，將大大減少深基坑施工事故。目前針對(duì)基坑工程的數(shù)值模擬方法雖已被廣泛應(yīng)用，但在工程實(shí)際中這部分內(nèi)容所占據(jù)的位置仍較尷尬，因?yàn)閷?duì)數(shù)值模擬結(jié)果往往缺乏有效的檢驗(yàn)手段[1-2]。本文借助柳州市橋都小苑深基坑工程為研究對(duì)象，運(yùn)用Plaxis2d軟件對(duì)開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算基坑在土釘+掛網(wǎng)噴混凝土支護(hù)設(shè)計(jì)方案下的變形情況，進(jìn)而通過對(duì)已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證此種數(shù)值分析方法具有較好的模擬精度，值得進(jìn)一步推廣。

1?模型建立

目前大多數(shù)學(xué)者都認(rèn)為深基坑工程開挖的影響范圍主要是由基坑的平面形狀、開挖深度、土質(zhì)條件和對(duì)地下水原始滲流影響程度等因素共同決定，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)所選取的計(jì)算邊界大小將對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度產(chǎn)生很大的影響[3-4]。眾多國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)表明，基坑工程對(duì)周邊的影響范圍約為開挖深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍[5]。根據(jù)橋都小苑深基坑的開挖深度和周邊工程環(huán)境特征，本文選取其中一個(gè)剖面進(jìn)行模擬計(jì)算，建立30 m×40 m（深×長）區(qū)域的計(jì)算模型，將基坑開挖分為7個(gè)工況：（1）基坑開挖至0.9 m;（2）基坑開挖至2.3 m;（3）基坑開挖至3.7 m;（4）基坑開挖至5.1 m;（5）基坑開挖至6.5 m;（6）基坑開挖至7.9 m;（7）基坑開挖至9.73 m。

模型中土體網(wǎng)格采用計(jì)算精度較大的15節(jié)點(diǎn)三角形單元，該單元提供4階位移插值，數(shù)值積分采用12個(gè)高斯點(diǎn)（應(yīng)力點(diǎn)），可以很好地反映研究區(qū)各個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變情況。利用板單元模擬混凝土面層，混凝土面層參數(shù)為2.1 GPa（彈性模量）、0.25（泊松比）、100 mm（厚度）、C20（混凝土等級(jí)）、D8@200（配筋），各土層與混凝土面層之間的界面均設(shè)定有“虛擬厚度”，其厚度默認(rèn)值為0.1，在模擬與巖土體之間的相互作用時(shí)（介于光滑與完全粗糙之間）通過給界面選取合適的界面強(qiáng)度折減因子（Rinter）的值來模擬。利用土工格柵單元模擬土釘，土釘僅受到軸向拉力作用，不產(chǎn)生抗壓和抗彎效應(yīng)，其軸向剛度EA統(tǒng)一取為2×105 kN/m。

各層巖土體的計(jì)算參數(shù)參照工程地質(zhì)報(bào)告，土層與混凝土面層之間的強(qiáng)度折減因子按照參考值從第一層開始依次取為0.6、0.6、0.67、0.67、0.8，土釘布置如圖1所示，建立好模型后分施工階段激活各個(gè)部件和施工工藝。

2?模擬結(jié)果

2.1?各工況水平位移特征

圖2～10分別模擬了基坑在開挖施工過程中的水平位移。圖11是總位移云圖。

（1）開挖一開始，就打破了土層原有的平衡狀態(tài)，應(yīng)力重新分布，從而導(dǎo)致位移區(qū)迅速集中。可以看到隨著開挖的進(jìn)行，水平方向的位移逐漸增大，位移方向?yàn)榕R空側(cè)，最大位移出現(xiàn)在工況7，位移主要集中在坡面中部深度4～5 m處，為-27.63 mm（向左側(cè)臨空面）。

（2）開挖深度加大后，可以看到發(fā)生位移部分逐步向后擴(kuò)散延伸，直至圖3中完全貫通。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)水平位移的總體影響范圍多集中在坡面附近，

在距離基坑25 m之外所受影響較小。

（3）在完成分步開挖布置混凝土面層和土釘后，可以看到水平位移在面層和土釘附近發(fā)生突變，說明土釘+掛網(wǎng)噴錨支護(hù)方式能有效限制土體的側(cè)向變形。

（4）土體的最大位移位置發(fā)生在第二層土體中。

（5）原本均布附加荷載左側(cè)是發(fā)生正向位移，右側(cè)發(fā)生負(fù)方向位移（圖中向左）。在卸荷回彈量不斷增大的情況下，左側(cè)的位移不斷被抵消，直至圖8中全部轉(zhuǎn)化為負(fù)方向的位移。一旦發(fā)生較小的負(fù)向位移，此時(shí)的外加荷載和其正下方的土體的平衡狀態(tài)被打破，可將其整體視為“助長”了斜坡的水平向變形。

同時(shí)模擬了基坑在開挖施工過程中的垂直位移。

由基坑壁表面布置的水平監(jiān)測截面可知距基坑壁任意位置的沉降值，見圖12（圖中負(fù)值代表沉降）。

（1）地表沉降隨著開挖的深度的加大，沉降量也不斷增大。

（2）地表沉降的最大值都是位于均布荷載的中心位置，距離基坑側(cè)壁越遠(yuǎn)，沉降值越小。由于地表淺層為松散填土，且基坑外側(cè)土體對(duì)坑底的擠壓作用，導(dǎo)致距離基坑壁較遠(yuǎn)的位置仍有一定的沉降值。

（3）工況7和工況8的位移值基本一致，主要是由于第6排和第7排土釘均在圓礫土中，圓礫土的剛度較大，開挖后回彈量相對(duì)較小。

（4）計(jì)算剖面中，距基坑壁17.7 m處為地下水管和電信光纜，通過數(shù)值模擬可知該處的沉降值范圍，有利于對(duì)管線的保護(hù)和工程項(xiàng)目的順利開展。

（5）圖11展示了工況8條件下，基坑坡面的總位移云圖。圖13～15為水平位移矢量圖、垂直位移矢量圖和總位移矢量圖。圖13中水平位移方向均指向斜坡外側(cè)，其數(shù)值大小用垂直坡面方向的長度表示。圖14中垂直位移分為指向斜坡內(nèi)側(cè)垂直向下和指向斜坡外側(cè)垂直向上，其數(shù)值大小用垂直于坡面方向的長度表示。總位移即為水平位移和垂直位移的矢量和，從坡頂至坡腳，其數(shù)值大小基本均勻，位移方向先是斜向下，逐漸變?yōu)樾毕蛏戏较颉Ｓ纱丝芍旅娴奈灰屏恐饕怯伤轿灰茮Q定，坡頂?shù)淖冃瘟縿t主要是由垂直沉降控制。

3?監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

結(jié)合設(shè)計(jì)的具體施工進(jìn)度，整理出橋都小苑基坑工程各步施工的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，由于缺少基坑開挖完成之后的地下水位、荷載以及降雨情況，故模擬數(shù)據(jù)僅截止于52 d。

由圖16可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢較為一致，且累計(jì)變形量較為接近。在開始施工后的第52 d，數(shù)值模擬得到的坡頂水平位移和垂直位移分別為17.65 mm和13.62 mm，距離剖面最近的監(jiān)測點(diǎn)p21的水平位移監(jiān)測在第49 d為25.09 mm，垂直位移監(jiān)測在51 d為21.57 mm。

圖17表明在前期施工時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測數(shù)值基本一致。在21 d后，由于數(shù)值模擬構(gòu)造的環(huán)境較為單一，未考慮外界不確定因素的影響，故其沉降值將不斷緩慢增大，最終的模擬結(jié)果為5.88 mm，但均未超出預(yù)警值。

在模擬中，水平位移表現(xiàn)為隨著開挖深度的增大，其最大水平位移也在不斷增大，且主要集中在開挖面的中部。坡頂?shù)乃轿灰浦饕怯捎诙演d和開挖作用，從堆載外側(cè)向開挖面中部延伸，有逐步貫通的趨勢，累計(jì)位移值介于剖面左右的監(jiān)測點(diǎn)p21和p22之間，與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)一致。基坑底的水平位移波動(dòng)范圍較小，主要是由于側(cè)壁的土體擠壓所致。

在模擬中，垂直位移表現(xiàn)為隨著開挖深度的增大，坡頂位移向下不斷增大，坑底位移向上隆起。僅在堆載作用下，研究區(qū)的垂直位移呈對(duì)稱狀分布，由荷載作用段向周圍擴(kuò)展減小。當(dāng)開挖施工后，由于施工區(qū)的卸荷作用，坑底土體向上隆起，斜坡側(cè)壁土體對(duì)坑底也產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致坡頂向下位移也有不斷增大的趨勢。坡頂?shù)淖畲蟠怪蔽灰茷?6.95 mm，與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)較接近。

4?結(jié)語

本文以橋都小苑基坑工程為例，借助Plaxis2d軟件，對(duì)基坑薄弱區(qū)剖面進(jìn)行了施工過程基坑位移分布的數(shù)值模擬計(jì)算，并結(jié)合實(shí)際檢測數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。進(jìn)而通過對(duì)已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證此種數(shù)值分析方法具有較好的模擬精度，值得進(jìn)一步推廣，用以指導(dǎo)施工，減少深基坑施工事故。相信隨著相關(guān)科研工作的推進(jìn)，數(shù)值模擬技術(shù)正在朝著無限接近現(xiàn)實(shí)的情況發(fā)展，直至可以再現(xiàn)工程過程。

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