軟土地區(qū)基坑開挖變形模式的數(shù)值模擬

軟土地區(qū)基坑開挖變形模式的數(shù)值模擬

1坑外地表沉降在軟土區(qū)域的溝槽開挖過程中，井內(nèi)土壤的開挖不僅導致井底高度和周圍結構的位移，還導致井外土壤的水平位移和垂直沉降。井外土位移對環(huán)境有重要影響。尤其是在中心區(qū)域的基坑工程中，建筑工地周圍通常有建筑物、市政道路和管道。對井變形的控制有非常嚴格的要求，環(huán)境保護水平很高。因此,為了保證基坑工程施工的順利進行,并有效地保護周邊環(huán)境安全,有必要對坑外地表沉降進行研究。針對坑外地表沉降,諸多學者2基本變形模式關于圍護結構的變形模式,國內(nèi)外許多學者均對此做了較多的研究,并在對工程實例分析的基礎上提出了相應的圍護結構變形模式。如Peck通過上述圍護結構的變形性狀的介紹可知,圍護結構變形的影響因素較為復雜,不同的圍護結構類型、支撐體系剛度、支撐布置與架設、土層參數(shù),尤其是軟土層的分布均對圍護結構的變形產(chǎn)生重要影響。但通過對各種變形模式的分析可知,任意一種變形模式均可以由如圖1所示的3種基本模式來組成。針對坑外地表沉降的預測研究,本文將通過上述3種基本變形模式展開如下分析:(1)利用桿系有限元法計算圍護結構變形,或利用測斜儀器監(jiān)測圍護墻的位移,從而得到如圖2(a)所示的圍護結構位移曲線;(2)根據(jù)上述3種基本模式,劃分第1步計算或監(jiān)測所得的圍護結構變形曲線,并得到所對應3種基本模式的位移最大值,如圖2(a)所示的3種基本位移模式中正向轉(zhuǎn)動、反向轉(zhuǎn)動和撓曲所對應的位移最大值分別為uf064(3)根據(jù)第2步所得的基本模式及對應模式的位移最大值,利用數(shù)值分析手段,分析各種基本變形模式所引發(fā)的坑外地表沉降的分布規(guī)律,并采用經(jīng)驗公式擬合每一基本模式所對應的坑外地表沉降曲線,如圖2(b)~(d)所示,然后對各種位移模式所得的坑外沉降經(jīng)驗曲線進行疊加,得到最終的坑外地表沉降曲線。為了得到坑外地表沉降曲線,需利用數(shù)值分析方法了解3種基本變形模式所引發(fā)的坑外地表沉降曲線分布規(guī)律。3數(shù)值模型的構建3.1物理力學模型土體采用HardeningSoil模型進行模擬,其具體物理力學參數(shù)如表1所示。其中,γ為土體的飽和重度,c、φ分別為土體的有效黏聚力及內(nèi)摩擦角,E3.2基坑開挖寬度土層厚度取4倍開挖深度,基于對稱性及計算速度的考慮,僅取1/2基坑模型進行分析,1/2坑內(nèi)開挖寬度為20m,坑外土體寬度為4倍開挖深度。3.3基本變形組合針對3種不同的基本變形模式,在數(shù)值分析過程中,每一基本變形模式的最大位移的取值如表2所示。3.4基礎開挖準備模擬在圍護結構深度范圍內(nèi),分別施加符合上述3種基本變形模式的位移值,使得基坑發(fā)生相應的變形,并得到坑外地表沉降曲線。4結論分析4.1坑外地表沉降點當圍護結構僅發(fā)生正向轉(zhuǎn)動時,隨著基坑開挖深度及正向轉(zhuǎn)動最大位移值的變化,其引發(fā)的坑外地表沉降曲線如圖3所示。其中,圖3~5中空心圓點均表示數(shù)值計算所得的坑外地表沉降點,實線表示擬合經(jīng)驗曲線,其后的圖4、5類同。通過圍護結構正向轉(zhuǎn)動所引發(fā)的坑外地表沉降分布可知,當圍護結構轉(zhuǎn)動位移值及基坑開挖深度發(fā)生變化時,坑外地表沉降曲線的分布模式基本保持一致,根據(jù)歸一化地表沉降曲線的分布特點,正向轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的坑外地表沉降分布可近似采用指數(shù)函數(shù)進行模擬,如圖3中的曲線,其曲線方程為因此,當圍護結構發(fā)生正向轉(zhuǎn)動或者圍護結構的位移曲線中存在正向轉(zhuǎn)動分量時,只要求得正向轉(zhuǎn)動最大位移值,即可由式(1)求得坑外地表沉降分布曲線。4.2坑外地表沉降當圍護結構發(fā)生反向轉(zhuǎn)動時,隨著反向轉(zhuǎn)動最大位移值的變化,其引發(fā)的坑外地表沉降曲線如圖4所示。與圍護結構發(fā)生正向轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的坑外地表沉降曲線分布不同,圍護結構反向轉(zhuǎn)動所引發(fā)的坑外地表沉降曲線呈凹槽形分布,坑外地表沉降最大點發(fā)生在距離基坑邊約1倍基坑開挖深度處的位置。盡管坑外地表沉降曲線的分布隨著基坑開挖深度的增大發(fā)生輕微的變化,但總體上仍呈現(xiàn)有規(guī)律的分布,所得的歸一化地表沉降分布曲線可近似地擬合成指數(shù)分布曲線,如圖4所示的實線,具體方程為通過式(2)可知,只要知道圍護結構所發(fā)生的反向轉(zhuǎn)動的最大位移值,即可求得坑外地表沉降分布曲線。4.3坑外地表沉降曲線方程除了上述兩種基本變形模式外,圍護結構還可能發(fā)生撓曲變形,本文將圍護結構所發(fā)生的撓曲變形簡化為拋物線分布,且最大的撓曲值(拋物線頂點)位于圍護結構中點處。針對不同幅值的圍護結構撓曲變形及不同的基坑開挖深度,所引發(fā)的坑外地表沉降分布如圖5所示。由圖5可知,同圍護結構發(fā)生反向轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的坑外地表沉降曲線分布類似,當圍護結構發(fā)生撓曲變形時,所引發(fā)的坑外地表沉降曲線亦呈凹槽形分布,且坑外地表的最大沉降值發(fā)生在距離基坑邊約0.65倍基坑開挖深度的位置處。為了利用指數(shù)曲線對坑外地表沉降曲線進行擬合,文中對坑外地表沉降曲線采用歸一化的地表沉降值,并利用如圖5所示的曲線進行擬合,其具體的曲線方程為因此,根據(jù)圍護結構的變形曲線確定其撓曲變形最大值后,即可利用式(3)求得坑外地表沉降分布曲線。通過上述的分析可知,在基坑圍護結構變形已知的前提下,只要對圍護結構的變形曲線根據(jù)3種基本的變形模式進行劃分,得到各個基本模式的最大位移值,并分別利用上述各個模式所對應的坑外地表沉降經(jīng)驗曲線,求解各自的坑外地表沉降分量,最后對所求得的3個沉降分量進行疊加,即可得到坑外地表沉降分布曲線。5坑外地表沉降監(jiān)測結果對比為了驗證上述所得的經(jīng)驗公式的準確性,下文將分別針對上海興業(yè)大廈、臺北TNEC大廈、上海外灘金融中心等基坑工程的坑外地表沉降監(jiān)測結果,對上述經(jīng)驗公式進行對比驗證。(1)基本變形模式的確定興業(yè)大廈基坑工程的開挖深度為12.4~14.4m,開挖面積為84m×82m,所得的地下連續(xù)墻水平位移曲線如圖6中實線所示。由于墻趾的位移幾乎為0,故無反向轉(zhuǎn)動模式的位移分量,即可利用圖6所示的虛線將地下連續(xù)墻變形曲線劃分為正向轉(zhuǎn)動和撓曲變形兩部分,故可得3種基本變形模式的最大位移值,具體如表3所示。利用式(1)、(3),即可求得坑外地表沉降曲線如圖7所示。由圖7可知,采用上述的經(jīng)驗曲線所求得的坑外地表沉降曲線同實測值較為吻合,該經(jīng)驗公式具有較好的實用性。(2)圍護結構側(cè)移曲線臺北TNEC大廈基坑工程最大的開挖深度為19.7m,北側(cè)長度為61m,南側(cè)長度為106m,基坑寬度為43m。所取的圍護結構側(cè)移曲線如圖8中實線所示。利用如圖8所示的虛線將地下連續(xù)墻變形曲線劃分為正向轉(zhuǎn)動和撓曲變形2種基本模式,由于墻趾的位移幾乎為0,亦不考慮反向轉(zhuǎn)動模式的位移分量,故可得上述3種基本變形模式的最大位移值如表4所示。利用式(1)、(3),即可求得坑外地表沉降曲線如圖9所示。由圖可知,采用上述的經(jīng)驗預測方法所求得的坑外地表沉降曲線,與實測值較為吻合。(3)坑外地表沉降上海外灘金融中心的基坑周長為506m,開挖面積為12000m利用圖10所示的虛線將地下連續(xù)墻變形曲線劃分為正向轉(zhuǎn)動、反向轉(zhuǎn)動和撓曲變形3種基本模式,可得上述3種基本變形模式的最大位移值如表5所示。利用式(1)~(3),即可求得坑外地表沉降曲線如圖11所示。由圖可知,除了緊鄰基坑邊的10m范圍區(qū)域外,利用上述的經(jīng)驗曲線所求得的坑外地表沉降曲線與實測值較為吻合。6結論在數(shù)值分析所得經(jīng)驗公式的基礎上,本文提出了利用圍護結構變形曲線預估坑外地表沉降的基本流程,即:(1)計算圍護結構位移曲線,可以利用桿系有限元法等計算方法求得,或根據(jù)工程實測結果確定。(2)根據(jù)所求得的圍護結構變形曲線,將其劃分為正向轉(zhuǎn)動、反向轉(zhuǎn)動和撓曲變形3種