某深基坑逆運作方案數(shù)值模擬分析

某深基坑逆運作方案數(shù)值模擬分析

廣州市廣場四層地下水，建筑面積20米。為最大程度減少對周邊環(huán)境的影響,有效地組織地下、地上同步施工,節(jié)省工期,降低施工費用,采用逆作法進行地下室施工。鑒于下部地層地質(zhì)條件較好,采用吊腳地下連續(xù)墻作為地下室的圍護結構和上部主體結構的部分豎向承載結構。為進一步加快施工進度,擬在-3層處采用鋼支撐加圍檁支護結構,而暫時不施作樓板的施工方案。為探討該施工方案的可行性,采用有限元分析手段,對該地下室逆作法施工全過程進行了動態(tài)施工數(shù)值模擬,重點分析了地下連續(xù)墻吊腳處的土拱效應、作用在地下連續(xù)墻上的土壓力、地下連續(xù)墻的側(cè)向位移及其彎矩、樓板支撐的軸力發(fā)展等規(guī)律。1土體模型計算進行二維計算時,計算模型采用平面應變,分析平面選擇最不利和較好的地質(zhì)鉆孔剖面,地層分布如圖1所示。采用實體單元模擬土體,梁單元模擬地下連續(xù)墻、樓板和鋼梁支撐。地下連續(xù)墻在豎向分成兩段,其中上段地下連續(xù)墻連續(xù)(0～-11.5m)。進行了兩種不同地層條件下的彈性、考慮和不考慮地下裂隙水的彈塑性分析。彈塑性分析時,土體選用D-P屈服準則。進行三維計算時,根據(jù)地層條件和地下室負三層樓板的布置情況,共進行六種模型的計算。其中模型1采用剖面1地層條件,負三層樓板布置兩跨;模型2采用剖面1地層條件,負三層樓板布置一跨;模型3采用剖面2地層條件,負三層樓板布置兩跨;模型4采用剖面2地層條件,負三層樓板布置一跨;模型5采用剖面1地層質(zhì)條件,負三層不做樓板,只布置鋼支撐和圈梁,并考慮地下裂隙水的影響;模型6采用剖面2地層條件,負三層不做樓板,只布置鋼支撐和圈梁,并考慮地下裂隙水的影響。整體三維有限元模型如圖2。采用實體單元模擬土體,殼單元模擬地下連續(xù)墻,三維梁單元模擬鋼梁支撐,板單元模擬樓板結構。采用彈性模型計算。巖土計算參數(shù)根據(jù)勘察報告選取,圍護結構計算參數(shù)根據(jù)結構材料和結構尺寸確定?？紤]地下水壓力時,雜填土采用水土合算,通過提高其波松比反映水的側(cè)向壓力;考慮地下裂隙水的水壓力時,基于現(xiàn)場土體開挖后所暴露的滲漏水的實際情況,參考規(guī)范選取水壓力的折減系數(shù)為0.25,其側(cè)向水壓力按三角形分布,并且P=0.25×10×H,其中H為全風化粉質(zhì)砂巖的厚度。2逆作施工過程二維計算時,地下室逆作法施工全過程如表1所述,共分成十步?；诋敃r現(xiàn)場的施工進度,在進行增量考慮時,選取施工步6為參考基準。三維計算時,地下室逆作法施工全過程如表2所述,共分成7步?；诋敃r現(xiàn)場的實際施工進度,在進行地下連續(xù)墻側(cè)向位移增量分析時,選取施工步3作為參考基準。3結果及其分析3.1圍護結構上的土壓力圖3為二維計算時作用于地下連續(xù)墻上的土壓力。從圖3可知:隨著地下室基坑不斷向下開挖,作用于圍護結構上的土壓力總體上是不斷增加的,其中上部土壓力增幅較大(0～-10m),下部土壓力增幅較小,這主要是由于吊腳地下連續(xù)墻的下部土層較好,因此在基坑側(cè)壁的下部形成了“土拱”效應所致。當考慮地下裂隙水時,作用于圍護結構上的土壓力略微有所增大,但增幅不明顯。3.2維彈塑性分析圖4為剖面1彈性計算時基坑側(cè)壁側(cè)向位移增量曲線。從圖4可知,二維計算時,基坑側(cè)壁土體最大側(cè)向位移增量為13mm,發(fā)生在基坑-13m處的土體部位。地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移增量發(fā)生在地下連續(xù)墻最下端(-11.5m),其最大位移增量為1.5mm。進行二維彈塑性分析且考慮地下水作用時,基坑側(cè)壁最大位移量為24mm,其最大增量為17.4mm,地下連續(xù)墻最大位移增量為2.8mm。三維彈性計算時,當?shù)貙訔l件較好時(剖面2),負三層布置兩跨、一跨樓板和不布置樓板時,基坑側(cè)壁土體和地下連續(xù)墻的側(cè)向位移均較小。當?shù)貙訔l件稍差時(剖面1),負三層布置兩跨、一跨樓板和不布置樓板時,基坑側(cè)壁土體和地下連續(xù)墻的側(cè)向位移均比剖面2時有所增大。但此時地下連續(xù)墻和基坑側(cè)壁的側(cè)向位移均較小,其中模型5的側(cè)向位移增量最大,地下連續(xù)墻最大增量為1.9mm,基坑側(cè)壁最大位移總量為16.0mm,其增量為6.8mm。二、三維計算結果表明,基坑側(cè)壁土體和地下連續(xù)墻的側(cè)向位移均處于設計控制范圍之內(nèi)。地下連續(xù)墻-11.5m處的側(cè)向位移最大增量現(xiàn)場監(jiān)測結果約為2mm,與數(shù)值計算結果有較好的一致性。3.3地下墻的彎曲矩陣由于地層條件較好,地下連續(xù)墻的最大彎矩值為-187kN·m,在設計控制范圍之內(nèi)。3.4組鋼支撐基本不受力圖5為二維計算時樓板支撐的軸力計算結果。從圖5可知,當?shù)貙訔l件較好時,負三層鋼支撐基本不受力,此時地下裂隙水的影響較小;當?shù)貙訔l件稍差時,負三層鋼支撐的軸力有所增大,地下裂隙水的影響也略有所增大,此時負三層鋼支撐的軸力最大值為175kN,處于設計控制范圍之內(nèi)。4施工規(guī)范對土體約束體系的影響基于對某基坑逆作法的二、三維動態(tài)施工模擬結果及其分析,認為:由于地層條件較好,基坑側(cè)壁下方形成了明顯的土拱效應。且目前首層樓板、負一層樓板和負二層樓板已經(jīng)施工完畢,對基坑側(cè)壁土體和地下連續(xù)墻已形成強大的約束體系,土壓力、連續(xù)墻彎矩、負二層樓板和負三層鋼支撐的軸力等均較小,