山東引黃灌區工程構筑物深基坑支護技術研究

王延杰

（濟寧市水利事業發展中心東魚河分中心,山東 魚臺 272300）

1 引言

淤泥質軟土地層在沿海地區較為常見,位于沿海區域的山東省更是以深厚層的淤泥質軟土地層而在工程界尤其是基坑工程領域聞名遐邇,曾經困擾著眾多工程師和基坑專家,盡管目前已經形成了一定的基坑施工技術處理該類土質條件下的基坑開挖施工,但是缺乏有效驗證。許多學者采用FLAC3D 軟件對各類地質條件下的基坑工程的支護加固技術進行了驗證研究。于丹等[1-2]通過FLAC3D 軟件分別模擬了基坑采用傳統的樁錨支護和另一種經濟的疏排樁錨加土釘墻聯合支護技術條件下的基坑位移和應力相應,研究結論證明傳統的樁錨支護技術更為可靠,這避免了新型支護技術的不可靠盲目應用。張騫棋等[3-4]對Geostudio 和FLAC3D 兩個數值計算軟件各自優點在充分認識基礎上,對一公路堆積體邊坡采用Geostudio 結合FLAC3D 軟件共同對其滑坡穩定性特征進行了研究,并基于兩軟件的計算結果,提出了一種新的邊坡穩定性論證方法。鐘志輝等[5-6]研究了如何將Midas 軟件構建的邊坡模型應用于FLAC3D 數值計算中,研究成果為工程中復雜邊坡模型的數值模擬計算提供了便利和新途徑。何忠明等[7-8]利用Geo-studio 軟件seep 模塊在處理滲流問題上的優越性,先將邊坡模型在seep 中進行計算獲取滲流結果后,將帶結果的邊坡模型導入FLAC3D 中進行后續分析,作者深入學習并運用發揮了兩個軟件各自的優勢,為邊坡滲流穩定性分析開拓了新思路。杜學領[9]對巷道支護和隧道支護中普遍應用的錨桿支護技術在FLAC3D 中的實現和當前應用的領域和成果進行了總結,指出了當前應用中存在的若干問題,主要說明了未來需有效加強應用的多個方面。周斌等[10-11]采用新近提出的抗剪強度折減理論在FLAC3D 中進行邊坡穩定性的分析,說明了FLAC3D 軟件在邊坡穩定性研究方面的可靠性。

本文依托山東引黃灌區工程構筑物工程,對深基坑的支護技術進行了數值模擬研究,在FLAC3D 軟件中依托工程實際構建了一個基坑開挖模型,分析比較水平方向上不同道橫向鋼梁支撐條件下,基坑的變形特征和鋼梁支撐的受力特點,提出了基坑開挖支護技術,為今后基坑施工支護方法的選擇提供了有益增選項和可靠指導。

2 工程概況

東昌府區引黃灌區為位山灌區,設計灌溉面積80.4 萬畝,有效灌溉面積66.5 萬畝。位山灌區引黃水源對全區進行了全部覆蓋,骨干渠道為位山二、三干渠,年引水1 億m3。通過疏浚、襯砌溝渠、新建、改建、維修建筑物,增加水源工程、配合現有信息化平臺,增加計量、閘門控制等裝置,起到節約農業用水,強化用水計量,規范用水管理,減輕管理工作負擔的作用。新改建閘、橋梁建筑物開挖基坑,基坑寬2 m,長12 m,為了加快工程進度,工程施工中擬采用地連墻加橫向鋼支撐的支護方式對基坑進行支護。

3 FLAC3D 中的線性結構單元

FLAC3D 提供有三類線性構件,可供讀者選擇使用,包括梁體結構、錨索結構和樁基結構單元體[12]。梁體結構構件由梁體構件和梁體節點組成,主要通過‘struct beam create byline’命令進行設置,同時,設置完成后,對梁體相關屬性參數進行賦值,這樣才能保證后續計算的順利進行,其中涉及到X、Y 軸的慣性矩計算和極軸慣性矩計算,需要用戶具備一定的材料力學知識。

4 模型構建

構建長30 m、高8 m、寬6 m 的模型,其中,基坑依托實際工程,首層掘進開挖2 m 深,開挖寬2 m、長12 m,如圖1（a）、（b）所示,在基坑開挖深度為2 m 的情況下,構建水平方向上工程實際中計劃采用的鋼支撐橫向間距為1 m 和1.2 m 的兩種基坑支護模型,進行分析計算,基坑開挖深度控制為2 m,基坑寬2 m、長12 m,對于間距為1 m 的橫向鋼支撐在基坑長度方向上設置12 道,間距為1.2 m 的橫向鋼支撐在基坑長度方向上設置10 道,材料性質如表1 所示。邊界條件設置為：Z=0 處,固定X、Y、Z 三個方向速度；X=0、6 處,固定X 方向速度,Y=0、30 處,固定Y 方向速度。

圖1 不同間距橫向鋼支撐基坑支護模型

表1 材料物理力學參數

5 計算結果

本節通過比較兩種不同間距橫向鋼支撐支護條件下,影響基坑穩定性的關鍵參數指標,得出隨著水平方向上,橫向鋼支撐間距的加大,鋼支撐軸力、彎矩的變化特點,基坑底板的位移大小變化特征。

（1）鋼支撐橫向間距為1 m 時

開挖深度為2 m 條件下,鋼支撐橫向間距為1 m 時,通過平衡計算,得到的鋼支撐彎矩大小云圖,如圖2（a）中所示。最大彎矩為1.32 e-2N·m,存在最大彎矩的鋼支撐分布在基坑長度方向的1/2 至1/4 處。由圖2（b）所示鋼支撐軸力云圖可知,間距1 m 時,鋼支撐承受最大軸力為1050 N,且最大軸力的鋼支撐分布于基坑長度方向上的1/2 和1/4 處,這與最大彎矩的鋼支撐分布范圍吻合,且最大軸力和最大彎矩的分布特點和材料力學中的理論解相一致,由此可知,計算結果正確。當開挖深度為2 m,鋼支撐橫向間距為1 m 時,基坑寬度方向上最大位移發生處位于寬度方向上的1/2 處,最大上拱位移值為6.4 e-3 m,如圖2（c）中所示。模型z 方向的應力云圖如圖2 中（d）所示,可見,在邊界上基坑開挖并未對邊界上的應力構成影響,說明作者所構建模型是合理的,前述分析是可靠的。（2）鋼支撐橫向間距為1.2 m 時

圖2 鋼支撐橫向間距為1m 時的數值模擬結果

開挖深度為2 m 條件下,鋼支撐橫向間距為1.2 m 時,通過平衡計算,得到的鋼支撐彎矩大小云圖,如圖3（a）中所示。最大彎矩為1.7 e-2 N·m,相比鋼支撐間距為1 m時,彎矩增大,存在最大彎矩的鋼支撐分布在基坑長度方向的1/2 至1/4 處,這與鋼支撐間距為1 m 時情況一致。由圖3（b）所示鋼支撐軸力云圖可知,間距1.2 m 時,鋼支撐承受最大軸力為1240 N,相比鋼支撐間距為1 m 時,軸力增大,且最大軸力的鋼支撐分布于基坑長度方向上的1/2 和1/4 處,這與最大彎矩的鋼支撐分布范圍吻合,且最大軸力和最大彎矩的分布特點和材料力學中的理論解相一致。鋼支撐橫向間距為1.2 m 時,基坑寬度方向上最大位移發生處位于寬度方向上的1/2 處,最大值上拱位移值約為6.4 e-3 m,如圖3（c）中所示,這與間距為1 m 時情況幾乎相同,這主要是鋼支撐分布于基坑頂面,間距減小對底面變形構不成太大影響的緣故。模型z 方向的應力云圖如圖3 中（d）所示,可見,在邊界上基坑開挖并未對邊界上的應力構成影響。

圖3 鋼支撐橫向間距為1.2 m 時的數值模擬結果

6 結論

通過不同橫向鋼支撐間距時,影響基坑穩定的各關鍵參數,主要得出以下結論：

（1）隨著橫向鋼支撐間距的加大,鋼支撐所承受的軸力和彎矩都隨之增大；基坑側壁變形較大處集中于長度方向上的1/4 至3/4 處,施工過程中應加強監測。

（2）在基坑周圍應盡量避免重物堆載,尤其在位于基坑邊長靠中間部位,該處易發生堆載失穩,威脅基坑施工安全,通過縮小橫向鋼支撐的間距,能夠減小單道橫向鋼支撐的軸力,提高安全系數。

（3）本文結論為該類土層基坑開挖施工支護技術的改進提供了參考,為工程實際中采用該方法對基坑首層開挖進行加強支護提供了可靠驗證。