劉云波，朱有奇，楊 德，趙 建

(1.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098;2.上海瀚聯(lián)建筑設(shè)計(jì)咨詢公司 河南分公司 ，河南鄭州450000)

目前，實(shí)際工程中有很多問(wèn)題由于邊界條件較為復(fù)雜，很難通過(guò)計(jì)算求出其解析解，只有當(dāng)邊界條件比較簡(jiǎn)單、規(guī)則，且方程的性質(zhì)比較特殊時(shí)，才能進(jìn)行解析解的計(jì)算。隨著有限單元法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使有限元分析成為解決復(fù)雜工程問(wèn)題的一個(gè)有效途徑［1］。朱有奇、盧國(guó)勝等［2－6］在分析主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力和靜止土壓力與位移關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)朗肯土壓力理論，提出了考慮位移的土壓力計(jì)算方法;徐日慶、龔慈［7－9］等針對(duì)繞墻底向外轉(zhuǎn)動(dòng)的剛性擋土墻，提出了一種簡(jiǎn)單可行的土壓力計(jì)算方法，采用改進(jìn)的庫(kù)侖主動(dòng)土壓力公式計(jì)算各轉(zhuǎn)角下的土壓力分布，用于繞墻底向外轉(zhuǎn)動(dòng)位移模式下?lián)跬翂Φ脑O(shè)計(jì)及驗(yàn)算;徐日慶［9］等研究了考慮平動(dòng)位移效應(yīng)的非極限狀態(tài)土壓力計(jì)算理論，通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)理論公式計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果較吻合。

本文主要以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)ABAQUS數(shù)值模擬，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)位移與數(shù)值模擬位移進(jìn)行比較分析。

1 工程概況

本工程監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)槟暇┣鄪W軸線地下工程B2－J1區(qū)基坑工程，該區(qū)為盆式基坑，開(kāi)挖8 m深度以下包含數(shù)個(gè)內(nèi)嵌基坑，具體為梅子洲主線隧道YK10+312－－YK10+525段基坑、J匝道JK0+206.5－ －JK+0319.354 段基坑、M 匝道MK0+228.142－ － MK0+346.043 段基坑、L 匝道 LK0+228.632－ －LK0+381.551 段基坑、I匝道 IK0+082.139—IK0+117.646 段基坑與青奧中心、國(guó)際風(fēng)情街的地下連通道基坑［2］。本文重點(diǎn)對(duì)B2－J1區(qū)主隧道基坑的開(kāi)挖情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并與ABAQUS數(shù)值模擬分析對(duì)比。

2 ABAQUS基坑開(kāi)挖的有限元模擬

有限元法不僅可以模擬基坑開(kāi)挖的全過(guò)程，還可以計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩、支撐軸力以及土體的應(yīng)力和位移。根據(jù)實(shí)際情況在數(shù)值分析中做出以下假設(shè)［1］:

(1)不考慮土體的流變影響。

(2)不考慮溫度對(duì)支撐軸力的影響。

(3)土體性質(zhì)為各向均質(zhì)同性，土體本構(gòu)模型采用Mohr－Coulomb理想彈塑性模型。

(4)不考慮基坑降水開(kāi)挖對(duì)土體性質(zhì)的影響。

2.1 模型建立

2.1.1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

我們所要計(jì)算的區(qū)域一般是開(kāi)挖時(shí)對(duì)土體有影響的區(qū)域，理想情況下，當(dāng)土體不發(fā)生位移時(shí)，土體的受力也就不會(huì)改變，也就是說(shuō)計(jì)算區(qū)域要取到土體不發(fā)生變形的邊界處。但是由于計(jì)算條件有限，不可能完全實(shí)現(xiàn)這種情況，因此為重點(diǎn)分析支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用力，模型側(cè)邊界取大于基坑開(kāi)挖深度的2倍，模型底面邊界取大于基坑開(kāi)挖深度的3倍。模型上施加的邊界約束條件為:模型兩側(cè)邊界的水平位移被限制，底部邊界的水平和豎向位移都被限制［3］。

2.1.2 單元?jiǎng)澐?/p>

在有限元模型中，土層采用 4節(jié)點(diǎn)的 CPE4實(shí)體單元模擬，地下連續(xù)墻采用梁?jiǎn)卧狟21進(jìn)行模擬，劃分網(wǎng)格。

2.1.3 參數(shù)選取

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告揭示的土層情況，計(jì)算中將土層簡(jiǎn)化，劃分為5層，綜合考慮地質(zhì)資料后，各層土和地下連續(xù)墻的計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表1［2］。

2.1.4 初始地應(yīng)力的平衡

在巖土工程中，初始地應(yīng)力的實(shí)際存在使得土體開(kāi)挖導(dǎo)致開(kāi)挖土體應(yīng)力關(guān)系的改變，因此基坑周圍的應(yīng)力場(chǎng)也隨之發(fā)生改變。隨著開(kāi)挖的施工進(jìn)程的進(jìn)行，基坑的性狀也不斷改變。ABAQUS提供了實(shí)現(xiàn)初始地應(yīng)力平衡的功能，利用單元的“生死功能”和分步分析計(jì)算的方式來(lái)模擬開(kāi)挖過(guò)程，使得土體開(kāi)挖過(guò)程和應(yīng)力情況與實(shí)際情況基本符合［4］。

2.1.5 開(kāi)挖過(guò)程模擬

根據(jù)基坑開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工工序，模擬分析中主要考慮四個(gè)施工階段。針對(duì)分步開(kāi)挖的情況，我們可以利用 ABAQUS中的“生死單元”功能來(lái)實(shí)現(xiàn)分步開(kāi)挖土體的模擬，而支撐的架設(shè)可以通過(guò)開(kāi)挖后控制土體邊界條件來(lái)實(shí)現(xiàn)，基本步驟為:

步驟1:施加土體重力，建立初始地應(yīng)力場(chǎng)。步驟2:開(kāi)挖第一層土體，開(kāi)挖深度為8.5 m，通過(guò)*Model change，remove實(shí)現(xiàn)。

步驟3:開(kāi)挖第二層土體，開(kāi)挖深度為5 m，通過(guò)*Model change，remove實(shí)現(xiàn)。

表1 各層土和地下連續(xù)墻的計(jì)算參數(shù)取值Tab.1 Parameter values of layers of soil and underground continuous wall

步驟4:開(kāi)挖第三層土體，開(kāi)挖深度為4 m，通過(guò)*Model change，remove實(shí)現(xiàn)。

步驟5:開(kāi)挖第四層土體，開(kāi)挖深度為4 m，通過(guò)*Model change，remove實(shí)現(xiàn)。

2.2 數(shù)值模擬的結(jié)果分析

2.2.1 實(shí)測(cè)水平位移與模擬結(jié)果的分析

從圖1—圖3中可以看出:墻體水平位移與實(shí)際監(jiān)測(cè)變化趨勢(shì)基本符合，首先是懸臂開(kāi)挖的墻頂向外發(fā)生三角形分布的位移［5］，然后隨著開(kāi)挖深度的增加和支撐的架設(shè)，墻體開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐以上墻體向坑外移動(dòng)，支撐以下土體發(fā)生鼓形變形［5］;最大位移點(diǎn)位置逐漸地下降，且最大位移也逐漸增大。當(dāng)開(kāi)挖至基坑底部時(shí)，墻體因?yàn)橥馏w卸荷的原因，導(dǎo)致基坑底部以下土體對(duì)墻體低端的約束減弱，從而使得墻低端出現(xiàn)了向坑內(nèi)的位移。

2.2.2 土壓力數(shù)值結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

當(dāng)h1=8、4 m時(shí)，分別取H=20、30 m時(shí)土壓力分布圖如圖4、圖5。

從圖中可以看出:在開(kāi)挖面附近的土壓力，隨著墻體高度的增加而增大［7］。在支撐以上部分，模擬值要小于計(jì)算值;而在開(kāi)挖面以下部分，則模擬值大于計(jì)算值［8］。反映出了模擬值并未達(dá)到極限狀態(tài)，而計(jì)算值是按照極限狀態(tài)來(lái)計(jì)算的。懸臂段土體還要受到墻體的被動(dòng)土壓力的影響而增加，二級(jí)開(kāi)挖段墻體還要繼續(xù)向前移動(dòng)，土壓力繼續(xù)減?。?］。

3 結(jié)論

1)墻體水平位移首先是懸臂開(kāi)挖的墻頂向外發(fā)生三角形分布的位移，然后隨著支撐的架設(shè)，墻體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，與實(shí)際監(jiān)測(cè)值基本符合。

2)在開(kāi)挖面附近的土壓力，隨著墻體高度的增加而增大。在支撐以上部分，模擬值要小于計(jì)算值;而在開(kāi)挖面以下部分，則模擬值大于計(jì)算值。

3)隨著懸臂段開(kāi)挖深度的增加，懸臂段最大土壓力值也在逐漸增加，墻底土壓力值在逐漸減小;二級(jí)開(kāi)挖面附近土壓力隨著懸臂開(kāi)挖深度的增加而逐漸減小;同樣隨著二級(jí)開(kāi)挖深度的增加，墻底土壓力和二級(jí)開(kāi)挖段土壓力值逐漸減小。

［1］盧廷浩.巖土數(shù)值分析［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［2］朱有奇，周云東，趙元海，等.非對(duì)稱深基坑變形規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2013，11(6):157－161.

［3］費(fèi) 康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

［4］張 磊.某深基坑工程施工監(jiān)測(cè)及有限元模擬分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［5］盧國(guó)勝.考慮位移的土壓力計(jì)算方法［J］.巖土力學(xué)，2004(4):586－589.

［6］劉波，劉清楠，趙一燕.超深基坑內(nèi)支撐拆除過(guò)程中基坑變形律研究［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，31(3):17 －21.

［7］徐日慶，龔慈，魏綱，等.考慮平動(dòng)位移效應(yīng)的剛性擋土墻土壓力理論［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2005，39(1):119－122.

［8］龔慈，俞建霖，徐日慶，等.繞墻底向外轉(zhuǎn)動(dòng)剛性擋土墻的土壓力計(jì)算［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2005，39(11):1690－1694.

［9］章瑞文，徐日慶，郭印.考慮擋土墻墻體平移的墻后分層填土主動(dòng)土壓力分布［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，39(2):250－255.