非對(duì)稱荷載涉水深基坑開挖全過程分析

洪 星

(江西省農(nóng)投信息科技有限公司，江西 南昌 330000)

1 引言

隨著城市的快速發(fā)展，地下空間的開發(fā)和利用價(jià)值不斷攀升，地鐵、地下商場(chǎng)、車庫(kù)等大規(guī)模工程建設(shè)使得深基坑工程越來(lái)越多，涉水深基坑工程施工全過程中的變形和穩(wěn)定性問題越開越受到工程建設(shè)者的關(guān)注。蒙國(guó)往[1]等通過數(shù)值模擬得出，隨著基坑不斷開挖，支護(hù)結(jié)構(gòu)上水平位移逐漸增大。路林海[2]等提出將支護(hù)措施與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合可減少基坑開挖變形。李哲[3]等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了地下連續(xù)墻支護(hù)基坑施工全過程變形特性。魯泰山[4]等通過數(shù)值模擬分析了基坑開挖深度對(duì)坑底土體擾動(dòng)的影響。樓春暉[5]等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，基坑邊角可限制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。李航[6]等通過數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出，控制基坑變形不能忽視支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和邊界條件變化。王龍[7]等通過數(shù)值模擬分析得出，增加圍護(hù)樁插入比對(duì)上覆新填土軟土深基坑坑底隆起控制效果不理想。林之航[8]通過分析上軟下硬的深基坑得出，該類基坑最大側(cè)移位置深度上移。于至海[9]等結(jié)合數(shù)值模擬分析提出了一種軟土深基坑開挖超前加固控制支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的方法。程雪松[10]等通過大量計(jì)算得到了修正傳統(tǒng)圓弧滑動(dòng)法滑動(dòng)半徑的對(duì)數(shù)表達(dá)式及其系數(shù)。本文通過數(shù)值模擬分析非對(duì)稱荷載涉水深基坑開挖全過程中土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

2 工程簡(jiǎn)介

某水利工程配套建筑在施工過程中，需開挖深基坑，開挖深度6 m，寬度10 m，擬采用地下連續(xù)墻支護(hù)，其中墻高度9 m，厚為0.35 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)采用C40，施工荷載作用在距基坑2 m 以外，其中基坑左側(cè)荷載為2 kN/m2，右側(cè)荷載為4 kN/m2。土層分布為:素填土，厚度3 m;3 m 以下為砂土。穩(wěn)定水位埋深為1.4 m～2.7 m，場(chǎng)地地下水不具有腐蝕性。

3 數(shù)值模型

考慮到該問題不具有典型的對(duì)稱性，取全斷面予以分析，同時(shí)視為平面應(yīng)變問題。為了使數(shù)值模擬與基坑實(shí)際開挖一致，深基坑模型開挖寬度取10 m，深度取6 m。為消除邊界影響，模型邊界取寬度20 m，深度12 m。采用地下連續(xù)墻支護(hù)(采用板單元模擬地下連續(xù)墻)，其中墻高度9 m，厚為0.35 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)采用C40。不考慮配筋對(duì)地下連續(xù)墻墻體彈性模量的影響，取彈性模量32.5GPa 計(jì)算。土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表1 和表2。施工荷載作用在距基坑2 m 以外，其中基坑左側(cè)荷載為2 kN/m2，右側(cè)荷載為4 kN/m2。地下水位取為2.0 m。數(shù)值模型邊界變形條件為:模型左、右兩側(cè)水平方向位移為零，允許發(fā)生豎向變形，底部為固定邊界(不允許發(fā)生變形)。有限元模型見圖1。

表1 土層參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

圖1 有限元模型示意圖

按基坑實(shí)際開挖過程進(jìn)行模擬:

工況一:平整場(chǎng)地，添加荷載并施工地下連續(xù)墻。

工況二:基坑開挖至-3 m。

工況三:基坑開挖至基底-6 m。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 基坑內(nèi)外側(cè)土體豎向變形分析

由圖2 可知，隨著基坑的開挖，地下連續(xù)墻的作用不斷發(fā)揮，基坑外側(cè)土體變形受基坑開挖影響較小;基坑內(nèi)側(cè)土體由于受到開挖卸荷的影響，土體豎向變形量不斷減小且有向上隆起的趨勢(shì)。

圖2 基坑內(nèi)外側(cè)土體豎向變形

4.2 非對(duì)稱荷載作用下地下連續(xù)墻水平方向位移分析

由圖3 可知， 左側(cè)地下連續(xù)墻上的最大位移分別為0.28 mm、4.28 mm、10.2 mm，即隨著基坑的逐步開挖，地下連續(xù)墻上的最大位移逐漸增大且指向基坑內(nèi)側(cè)，墻的支護(hù)作用逐漸發(fā)揮，且隨著基坑的開挖，地下連續(xù)墻逐漸處于懸臂狀態(tài)，最大位移均處于墻頂。

圖3 左側(cè)地下連續(xù)墻水平方向位移

由圖4 可知， 右側(cè)地下連續(xù)墻上的最大位移分別為0.3 mm、4.53 mm、10.6 mm，即隨著基坑的逐步開挖，地下連續(xù)墻上的最大位移逐漸增大且指向基坑內(nèi)側(cè)，墻的支護(hù)作用逐漸發(fā)揮，且隨著基坑的開挖，地下連續(xù)墻逐漸處于懸臂狀態(tài)，最大位移均處于墻頂。

圖4 右側(cè)地下連續(xù)墻水平方向位移

由圖3 和圖4 分析可知，受基坑兩側(cè)非對(duì)稱荷載的影響，同一工況下右側(cè)荷載(大荷載)作用下地下連續(xù)墻上最大位移均大于左側(cè)(小荷載)且同一工況及同一深度下右側(cè)荷載(大荷載)作用下地下連續(xù)墻上位移均大于左側(cè)(小荷載)。因此，實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工過程中不應(yīng)忽視基坑兩側(cè)非對(duì)稱荷載帶來(lái)的支護(hù)結(jié)構(gòu)上差異變形影響。

5 結(jié)論

(1)坑外水位變化不大時(shí)，隨著基坑的開挖，地下連續(xù)墻的作用不斷發(fā)揮，基坑外側(cè)土體變形受基坑開挖影響較小;而基坑內(nèi)側(cè)土體由于受到開挖卸荷的影響，土體豎向變形量不斷減小且有向上隆起的趨勢(shì)。

(2)坑外水位變化不大時(shí)，隨著基坑的開挖，基坑左、右兩側(cè)地下連續(xù)墻上的最大位移逐漸增大且均指向基坑內(nèi)側(cè)，墻的支護(hù)作用逐漸發(fā)揮，且隨著基坑的開挖，地下連續(xù)墻逐漸處于懸臂狀態(tài)，最大位移均處于墻頂。

(3)受基坑兩側(cè)非對(duì)稱荷載的影響，同一工況下右側(cè)荷載(大荷載)作用下地下連續(xù)墻上最大位移均大于左側(cè)(小荷載)且同一工況及同一深度下右側(cè)荷載(大荷載)作用下地下連續(xù)墻上位移均大于左側(cè)(小荷載)。因此，實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工過程中不應(yīng)忽視基坑兩側(cè)非對(duì)稱荷載帶來(lái)的支護(hù)結(jié)構(gòu)上差異變形的影響。