基于HSS模型對深基坑止水帷幕的擋土效應分析

謝曉風，華建兵，2

(1.安徽理工大學 建筑與土木工程學院，安徽 淮南 232001；2.合肥學院 城市建設與交通學院，安徽 合肥 230601)

0 前 言

隨著中國的城市化發展，節能減排和碳中和成為了當前的主要任務。而目前大部分建筑設計只考慮了排樁的擋土功能而沒有考慮高壓旋噴樁止水帷幕的擋土作用，造成了鋼筋、水泥的浪費，不符合當前的“十四五”規劃綱要中提出“推動綠色發展，促進人與自然和諧共生”的要求。所以在考慮安全性的前提下，節省材料也成了首要任務。本文以安徽省宿州市埇橋區某大型基坑項目為基礎，利用plaxis2D軟件建立有限元模型。分析了在實際工程中高壓旋噴樁止水帷幕不同寬度和深度情況下排樁支護水平位移的變化。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目擬建地點位于安徽省宿州市埇橋區，火車站鐵路以東，沱河以南，港口路以西，道東大街以北，項目基地西側與宿州站站房相臨，最小距離為9 m，站房同期建設，本工程為宿州東站站前廣場改造工程，地下基坑長196 m，寬150 m，深度為5 m。考慮到基坑南側擬建勝利路下穿隧道(同期施工)西側為新建宿州站站房(同期施工)，基坑南側、西側支護結構安全等級按二級考慮，其余地區周邊環境條件相對較好，基坑結構安全等級按三級考慮。

1.2 水文地質條件

施工場地空曠，地勢較為平坦，場地內堆有大量雜填土、雜草等。擬建場區無大的區域構造、活動斷裂等，屬于區域地質構造比較穩定地區。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元模型建立的一些基本假定

土體硬化模型(HS模型)是假設土體的卸載再加載是彈性形變[4]。但實際工程中土體不可能是完全彈性的，完全彈性只能應用于應變處于非常小的時候。當應變逐漸變大時。土體的剛度會變為非線性。而小應變土體硬化模型[5](HSS模型)繼承了土體硬化模型的優點，又在此基礎上增加了G0ref和γ0.7，來顯示小應變剛度即初始小應變模量G0ref和剪切應變水平γ0.7(割線模量Gs減小為原來的70%)，土層參數如表1所示。

表1 各土層HSS本構模型參數表

2.2 幾何模型的建立

鉆孔灌注樁組成的排樁結構采用板單元來模擬，采用等效剛度原則[6]，將排樁結構等效為剛度相同的板結構，支護結構參數如表2所示。

表2 支護結構參數表

本模型采用15節點單元，進行計算區域的網格劃分，共劃分為9 037個單元，73 037個節點。土體采用二維單元，斜支撐采用點對點錨桿單元，并同時采用線彈性本構模型，地下連續墻采用板單元。模型建立區域通常為開挖深度的3～5倍，因此采取265 m×25 m。模型截斷邊界對模型的影響可忽略不計。因為土結構相互作用界面比土體之間相互作用小，故Rinter強度折減系數取0.7。基坑的開挖使用plaxis2D的凍結命令來實現。

3 計算結果分析

對選定模型進行真實開挖進程的模擬，分別對不同高壓旋噴樁止水帷幕的寬度和深度兩種工況下的變形進行計算比較。

3.1 止水帷幕寬度對排樁水平位移的影響

通過plaxis2D模型分析以下5種情況：使用高壓旋噴樁深度為18.8 m,彈性模量為200 MPa，高壓旋噴樁之間搭接長度為200 mm，高壓旋噴樁寬度分別設置為D=0 m，D=0.8 m，D=1.35 m，D=1.9 m，D=2.45 m，提取出排樁樁身水平位移的數值，進行比對。將數值導入origin軟件制成圖1。

圖1 止水帷幕寬度D對排樁水平位移的影響

將圖1的最大位移進行比較可得到表3。

表3 排樁頂部位移減小率和止水帷幕寬度的關系

由圖1和表3可見清晰地看出，隨著止水帷幕寬度的增加，排樁水平位移在減小，特別是不加止水帷幕和加了止水帷幕之間位移減小率差別最大，所以在設計過程中，應當考慮止水帷幕的阻擋水土壓力的作用。

3.2 不同止水帷幕深度對排樁水平位移的影響

使用寬度D=1.35 m，彈性模量為200 MPa，使用不同的高壓旋噴樁深度進行模擬，深度分別設置為h=16 m，h=18 m，h=20 m，h=22 m，h=24 m,plaxis2D軟件模擬5種情況如圖2所示。

圖2 止水帷幕深度h對排樁水平位移的影響

將圖2的最大水平位移進行比較整理得出表4。

表4 排樁頂部位移減小率和止水帷幕深度的關系

由表4可以看出隨著止水帷幕深度的增加排樁的水平位移逐漸減小，所以工程中可以適當增加止水帷幕深度來減小排樁支護的水平位移。同時可見深度在20～22 m中存在一個最合理值來減小排樁的水平位移。

4 結 論

使用plaxis2D軟件建立有限元模型，通過分析了不同寬度、深度的止水帷幕對排樁水平位移的影響并且對實際工程中有無止水帷幕與實際監測數據進行比對，通過樁頂水平位移的變化可以得出結論。

1)止水帷幕和排樁組合結構中，止水帷幕可以協助排樁結構阻擋水土壓力。

2)隨著止水帷幕寬度的增加，排樁的水平位移逐漸減小，說明止水帷幕對排樁周圍的水土壓力確實存在著阻擋作用。

3)隨著止水帷幕深度的增加，排樁支護的水平位移逐漸減小，并且對此工程存在一個最佳止水帷幕深度。

4)由于設計的排樁結構的剛度過大，不能完全發揮止水帷幕的擋土功能。

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