基于有限元數值模型的復合支護設計在住宅基坑項目中的應用研究①

陳 強

(中鐵十八局集團第四工程有限公司,天津 300350)

隨著(zhù)城鎮化進(jìn)程不斷推進(jìn),土地成為緊缺資源。為了最大化土地利用率,需要將建設區域復雜地質(zhì)水文因素納入考慮,這給基坑開(kāi)挖項目提出了更加嚴格的要求[1-2]。因為隨著(zhù)基坑施工難度的增加,作業(yè)難度也隨之增加,使得基坑工程事故率陡增[3]。這對本就屬于軟弱土層的沿海地區來(lái)說(shuō),如何在住宅基坑項目中設計出滿(mǎn)足安全可靠的支護結構就顯得更為重要[4]。研究旨在將預應力錨索和SWM工法樁相結合進(jìn)行支護結構設計,并借助有限元數值模型考察其在各種工況下錨索預應力以及樁身形變和位移的變化情況。

1.1 錨索-SWM工法樁復合支護設計

錨索和SWM工法樁復合支護設計中,錨索可以分為預應力錨索以及無(wú)預應力錨索兩類(lèi)。預應力錨索具有柔性好、加固深度大、主動(dòng)受力以及施工便捷等優(yōu)點(diǎn)。圖1為支護設計整體穩定性測算示意圖。

圖1 支護設計整體穩定性測算示意圖

圖1示意圖反映了在基坑工程項目設計中支護結構整體穩定性的計算原理,保證支護結構滿(mǎn)足整體穩定性要求對于基坑作業(yè)至關(guān)重要。研究選擇條分法和有效應力分析支護結構整體穩定性,公式(1)和公式(2)為對應的分析計算公式。

min{Ks,1,Ks,2,…,Ks,i,…}≥Ks

(1)

(2)

式(1)和式(2)中,Ks表示整體穩定安全系數,Ks,i表示第i個(gè)圓弧滑動(dòng)力矩和抗滑力矩間比值。cj和φj分別表示第j個(gè)土條在滑動(dòng)圓弧面接處的粘聚力和內摩擦角。bj,θj,lj和qj分別表示第j個(gè)土條寬度、滑動(dòng)圓弧面中心點(diǎn)處法線(xiàn)與垂直面的夾角、滑動(dòng)圓弧曲段長(cháng)度以及土條頂部附加均布負荷的受力標準值。ΔGj,uj和Rk,k分別表示第j個(gè)土條自身重量、滑動(dòng)圓弧弧面的孔隙水壓和第K層錨桿對滑動(dòng)體的最大拉力值。αk,θk,Sx,k和ψv表示第K層錨桿傾斜角度、滑動(dòng)面位于第K層錨桿位置的法線(xiàn)與垂直面的夾角、第K層錨桿在水平方向的距離以及計算系數。圖2為含多個(gè)支點(diǎn)的傾覆穩定性示意圖。

圖2 含多個(gè)支點(diǎn)的抗傾覆穩定性示意圖

抗傾覆穩定的測驗主要是為了考察基坑土質(zhì)的優(yōu)劣情況。此外,基坑開(kāi)挖作業(yè)過(guò)程中,尤其是在對軟弱土層位置進(jìn)行挖掘工作時(shí),原本土體的平衡樣態(tài)會(huì )被改變,造成基坑內外兩側土體形成壓力差,且壓力差會(huì )隨著(zhù)開(kāi)掘深度的增加而增加,最終當壓差達到基坑底部土體的承載限值時(shí),便會(huì )出現外側土體內移的現象,從而帶來(lái)坑底土體變形的不穩定狀態(tài)。為了避免不穩定土體帶來(lái)的施工事故的發(fā)生,需要在基坑建設時(shí)納入抗隆起穩定性分析。公式(3)-公式(5)為地基承壓測驗公式。

(3)

(4)

Nc=(Nq-1)/tanφ

(5)

式(3)-式(5)中,Kb表示抗隆起安全系數。γm1和γm2表示基坑內外擋土之上的自然重度,ld,h和q0分別表示擋土嵌固深度、基坑深度以及地面壓力超載值。Nc,Nq表示承載力系數。c,φ表示擋土構件底層土體的粘聚力以及內摩擦角。需要指出的是,當擋土結構的土層位于軟弱下臥層時(shí),基坑底部隆起穩定性測驗需要將此軟弱下臥層包含在內,其添加的數學(xué)表達式為公式(6)。

(6)

式(6)中,γm1和γm2表示支護構件內外兩側軟弱下臥層于頂面以上的重度,D表示基坑底部到軟弱下臥層頂土面的距離。同時(shí),對于錨拉式支擋結構以及支撐式支擋結構而言,若坑底土體為軟土性質(zhì)時(shí),擋土嵌固深度需要符合將最下層支點(diǎn)作為軸心的弧面滑動(dòng)穩定性約束,其數學(xué)表達式為公式(7)。

(7)

式(7)中,Kr表示圓弧滑動(dòng)穩定性安全系數,三個(gè)安全等級對應的系數值為2.2,1.9和1.7。

1.2 有限元數值計算分析及參數設置

有限元法通過(guò)將無(wú)限自由度的連續體簡(jiǎn)化成有限自由度個(gè)數的組成體,從而讓問(wèn)題化簡(jiǎn)成可解決的結構型問(wèn)題。研究采用Midas/GTX NX有限元法分析軟件進(jìn)行模型建構和分析。在建立模型時(shí)假定各土層為均質(zhì)且各項同性的彈塑性土體,且將SMW工法樁等價(jià)為連續墻,并忽略基坑開(kāi)挖中存在的空間效應,并規定初始狀態(tài)為零變形狀態(tài)。模型的邊界條件從X,Y,Z三個(gè)位移方向展開(kāi)約束,其中Y軸負方向納入了重力加速度因素。在借助Midas/GTS NX建模時(shí),應將SMW工法樁、鋼圍檁、冠梁和素噴砼面作為線(xiàn)彈性材料,采用板模塊屬性定義SMW工法樁以及素噴砼面,采用梁模塊屬性定義冠梁以及鋼圍檁,采用植入式桁架模塊來(lái)模擬錨索。表1反映了錨索、工法樁以及支護結構參數情況。

表1 錨索、工法樁以及支護結構參數情況

研究采用的支護結構為樁錨支護構造,在借助Midas/GTX NX有限元法分析軟件進(jìn)行實(shí)況仿真時(shí),主要利用“激活”指令以及“鈍化”指令進(jìn)行操作以實(shí)現對于相應土層以及支護結構材料的模擬?；油诰驍抵捣抡娣譃槲鍌€(gè)工況,且地面標高為±0m。表2為有限元數值模擬挖掘的工況信息表。

表2 有限元數值模擬挖掘的工況信息表

從表2可知,第一工況為起始應力分析。該分析階段首先進(jìn)行基坑中各土層網(wǎng)格單元激活操作,設定好邊界約束以及靜力荷載,最后再進(jìn)行位移清零操作。第二工況為首次開(kāi)挖土層與支護設計階段,該階段先要對土體進(jìn)行鈍化處理,以模擬首次土體開(kāi)挖過(guò)程,然后再進(jìn)行冠梁、SMW工法樁等各單元激活操作。第三工況和第四工況為二次和三次土層挖掘以及錨索、鋼圍檁設置階段,第五次工況則為挖至坑底階段。

研究選取的住宅基坑處于軟土沿海區域,其地貌特征為沖洪積-淤積平原。該基坑開(kāi)挖深度為5.6m至6.3m,部分工程段開(kāi)挖深度為10.5m,規模較大且場(chǎng)地表面不規則,該基坑安全等級屬于一級?？紤]到該基坑項目各種地質(zhì)水文等環(huán)境因素,選取提出的錨索-SMW工法樁進(jìn)行支護設計并對其采用有限元模型進(jìn)行計算分析。圖3為錨索應力計算值與實(shí)際值對比結果圖。

圖3 錨索應力計算值與實(shí)際值對比結果圖

從圖3對比圖可知,此三個(gè)錨索應力的計算值與實(shí)際值間存在一定差值。錨索1在工況2中出現了應力偏差最大值為20kN。錨索2應力偏差最大值出現在工況4為20kN。錨索3應力偏差最大值在工況4中為10kN。但最終從圖3曲線(xiàn)走向來(lái)看,隨著(zhù)工況的進(jìn)行開(kāi)挖深度加深,錨索軸力也逐步加大,且錨索軸力變化范圍均位于60%到70%預警值以?xún)?而且計算值曲線(xiàn)與實(shí)際值曲線(xiàn)的走向具有一致性,因此該設計模型具有可靠性。圖4(a)為支護樁身水平方向位移計算值與實(shí)際值對比圖,圖4(b)為基坑周?chē)乇沓两盗繉Ρ冉Y果。

圖4 支護樁身水平方向位移以及地表沉降量對比圖

從圖4(a)可知,支護樁水平位移計算值曲線(xiàn)與實(shí)際值曲線(xiàn)走向具有一致性,從基坑開(kāi)挖到項目預設的標高處表現為凸出樣態(tài),且隨著(zhù)開(kāi)挖深度的進(jìn)行,基坑下方樁身水平方向位移值趨于減小,符合設計要求。其中,水平位移實(shí)際最大值出現在距樁頂5.2m處,對應的最大水平位移量為16.2mm。而計算值得到的水平位移最大值出現在距樁頂6.1m處,對應的水平位移最大值為19.3mm。根據水平位移預警值40mm可知,該位移偏差處于正常范圍。從圖4(b)可知,地表沉降量實(shí)際值呈現先增后減的變化趨勢,且在距離基坑邊緣30m之后趨于水平變化,其地表沉降量最大值出現在基坑附近10m的位置,沉降量數值為8.8mm。模型曲線(xiàn)走向也呈現先增后減的趨勢,且在距離基坑附近30m處趨于平穩,最大沉降量為5.7mm,發(fā)生在基坑邊緣4.8m處。根據基坑周?chē)乇沓两盗款A警值30mm可知,該偏差屬于合理范圍。

圖5 三種附加負荷下樁身位移曲線(xiàn)以及彎矩曲線(xiàn)圖

在實(shí)際情況中,坡頂周?chē)€存在機械停放、材料堆積以及土方堆積等附件負荷。這些負荷會(huì )使得實(shí)際基坑附加負荷通常會(huì )超過(guò)模型預設值,所以此處在不改變其他參數的情況下,設置坡頂附加負荷為10kPa,20kPa,30kPa和40kPa四種情形來(lái)考察其對支護樁樁身水平位移以及樁身內力的影響。圖5為三種附加負荷下樁身位移曲線(xiàn)以及彎矩曲線(xiàn)圖。從圖5(a)可知,坡頂附加的負荷給支護樁樁身水平方向的位移帶來(lái)了較大影響。當附加負荷為20kPa時(shí),支護樁樁身發(fā)生的最大水平位移量為19.3mm。當附加負荷為30kPa時(shí),支護樁樁身最大水平位移增多了4mm,增長(cháng)百分比為20.7%。從圖5(b)可知,坡頂附加的負荷量對于支護樁樁身彎矩也影響顯著(zhù),樁身彎矩曲線(xiàn)圖整體呈現逆“S”曲線(xiàn),且彎矩大小跟隨附加負荷增多而增大。例如,附加荷載為20kPa時(shí),樁身最大彎距為320kN·m。當附加荷載為30kPa時(shí),最大彎矩與20kPa相比增加了35kN·m,增長(cháng)百分比為11%?？芍马敻郊雍奢d的增大會(huì )導致樁身水平位移以及彎矩的增加,所以在支護設計時(shí),應充分考慮附加荷載閾值避免因坡頂超載而引發(fā)工程事故。

考慮到SMW工法樁技術(shù)具有廣泛的應用前景,同時(shí)考慮到預應力錨索能夠給基坑提供更優(yōu)越的支護技術(shù),因此研究旨在將錨索和SWM工法樁相結合提出一種復合支護設計結構,并采用有限元數值模型來(lái)計算,最終和現場(chǎng)實(shí)際值相比較。結果表明,通過(guò)所提的復合支護設計方法錨索應力在不同工況下最大偏差值為20kN,滿(mǎn)足60%到70%的預警值。支護樁水平位移最大值為19.3mm,滿(mǎn)足40mm的預警值以?xún)?。因?該結構在住宅基坑施工中具有一定借鑒意義。