基坑結(jié)構(gòu)單元與實(shí)體單元差異性分析及應(yīng)用

丁增志，宋林波，高夕良，成啟航

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031)

0 前 言

隨著數(shù)值分析方法的日益完善，數(shù)值分析軟件被廣泛應(yīng)用于巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域[1-3]。其中，F(xiàn)lac3D作為一款功能強(qiáng)大的有限差分軟件，被大量應(yīng)用于基坑工程。徐幫樹等[4]在數(shù)值模擬計(jì)算中采用位移疊加法，模擬了復(fù)雜基坑工程施工對(duì)鄰近建筑物的影響。姚文博等[5]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，精確地模擬了基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。郭院成等[6]驗(yàn)證了在預(yù)應(yīng)力錨桿施工條件下，復(fù)合土釘支護(hù)體系增量解析方法的合理性。對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬，F(xiàn)lac3D中有結(jié)構(gòu)單元和實(shí)體單元兩種方法[7]。結(jié)構(gòu)單元可以避免復(fù)雜的接觸面問題，但不能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)實(shí)體的應(yīng)力和應(yīng)變[8]。實(shí)體單元模型能夠真實(shí)地反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，從而找到結(jié)構(gòu)的薄弱部位，但數(shù)據(jù)的提取和處理較為困難。對(duì)于這兩種方法，目前還沒有一個(gè)明確的使用標(biāo)準(zhǔn)。

本文依托武漢某項(xiàng)目基坑圍護(hù)工程[9]，分別使用結(jié)構(gòu)單元和實(shí)體單元對(duì)該工程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析兩種方法的差異性，并將分析結(jié)論應(yīng)用于現(xiàn)有的工程中。

1 計(jì)算模型選取

本次計(jì)算使用準(zhǔn)三維模型，模型尺寸為寬50 m×深28 m，開挖部分為寬25 m×深7.5 m，剖面厚度根據(jù)樁間距取為1.6 m，剖面圖如圖1所示。模擬計(jì)算中，土體結(jié)構(gòu)采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。

圖1 武漢某基坑剖面圖

支護(hù)樁為Φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長13.5 m，樁間距1.6 m，采用C30級(jí)混凝土。支護(hù)樁重度γ取25 kN/m3，彈性模量E取32 GPa，泊松比v取0.2。為方便計(jì)算，對(duì)基坑地質(zhì)勘察報(bào)告進(jìn)行適當(dāng)簡化，將土體劃分為5層，各層土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 實(shí)體單元模型和結(jié)構(gòu)單元模型結(jié)果分析

2.1 實(shí)體單元與結(jié)構(gòu)單元

實(shí)體單元模型中主要考慮樁基與土體之間的接觸問題，可以用接觸面單元來模擬。Flac3D中常用的接觸面建立方法有移來移去法、導(dǎo)來導(dǎo)去法和切割模型法三種[10]。本文建立樁與土層接觸面單元的方法為移來移去法。該方法主要在于將需要接觸面的兩個(gè)網(wǎng)格分開建立后，在一個(gè)網(wǎng)格的指定位置建立接觸面，然后把另外一部分網(wǎng)格移到特定的位置。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

Flac3D中結(jié)構(gòu)單元包括梁單元、錨索單元、樁單元、殼單元、土工格柵單元和襯砌單元等[4]。在結(jié)構(gòu)單元模型中，采用樁單元對(duì)圍護(hù)樁進(jìn)行模擬。樁單元工作原理示意圖如圖2所示。樁單元由結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)node和結(jié)構(gòu)構(gòu)件sels構(gòu)成。通過節(jié)點(diǎn)node與實(shí)體單元或其他結(jié)構(gòu)單元建立link連接，通過設(shè)置耦合彈簧參數(shù)實(shí)現(xiàn)與土層實(shí)體單元的相互作用。

圖2 樁單元工作原理示意圖

2.2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

開挖完成后，結(jié)構(gòu)單元模型與實(shí)體單元模型的土體塑性區(qū)分布相近，土體塑性區(qū)分布圖如圖3所示。結(jié)構(gòu)單元模型圍護(hù)樁最大水平位移約為19.0 mm，實(shí)體單元模型圍護(hù)樁最大水平位移約為19.7 mm，均位于圍護(hù)樁頂部，圍護(hù)樁水平位移云圖如圖4所示。結(jié)構(gòu)單元模型土體最大水平位移約為19.1 mm，最大豎向位移約為6.6 mm，實(shí)體單元模型土體最大水平位移約為19.8 mm，最大豎向位移約為6.9 mm，土體水平位移云圖如圖5所示，豎向位移云圖如圖6所示。對(duì)比可知，結(jié)構(gòu)單元模型和實(shí)體單元模型的模擬效果相近，圍護(hù)樁水平位移、土體水平及豎向位移均具有相同的變化趨勢(shì)和相近的計(jì)算數(shù)值，但大體上實(shí)體單元模型的計(jì)算結(jié)果略大于結(jié)構(gòu)單元模型的計(jì)算結(jié)果。因此，通過對(duì)比兩種模型的計(jì)算結(jié)果得到結(jié)論，結(jié)構(gòu)單元和實(shí)體單元對(duì)圍護(hù)樁的模擬效果相近，實(shí)體樁單元的計(jì)算結(jié)果大于結(jié)構(gòu)樁單元的計(jì)算結(jié)果。

(a)結(jié)構(gòu)單元模型

(b)實(shí)體單元模型

(a)結(jié)構(gòu)單元模型

(b)實(shí)體單元模型

2.3 差異性分析

根據(jù)上述結(jié)論，并結(jié)合該地鐵車站基坑的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)單元模型和實(shí)體單元模型中樁身的水平位移計(jì)算結(jié)果進(jìn)行差異性分析，對(duì)比曲線如圖6所示。因?yàn)闇?zhǔn)三維剖面模型未添加對(duì)樁身水平位移起到一定約束作用的樁頂冠梁，所以數(shù)值模擬結(jié)果中樁頂位移要大于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

(a)結(jié)構(gòu)單元模型

(b)實(shí)體單元模型

(a)結(jié)構(gòu)單元模型

根據(jù)曲線圖，計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)基本相同，但實(shí)體單元模型的計(jì)算結(jié)果偏高，而結(jié)構(gòu)單元模型的計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，相較于實(shí)體單元模型，結(jié)構(gòu)單元模型得出的結(jié)果要更為準(zhǔn)確。而且使用結(jié)構(gòu)單元還能避免實(shí)體單元中復(fù)雜的接觸面問題，可以優(yōu)先考慮使用結(jié)構(gòu)單元建立計(jì)算模型。根據(jù)分析結(jié)論及實(shí)際工程情況，使用結(jié)構(gòu)單元模型對(duì)成都錦城廣場(chǎng)站29號(hào)線基坑進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

3 工程應(yīng)用

3.1 建立計(jì)算模型

使用結(jié)構(gòu)單元模型對(duì)成都錦城廣場(chǎng)站29號(hào)線基坑建立準(zhǔn)三維模型，模型尺寸為寬125 m×深56 m，基坑開挖部分位于模型中部，寬25 m，深28 m，剖面厚度根據(jù)樁間距取為1.8 m。計(jì)算中，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。模型剖面圖如圖8所示。

圖8 錦城廣場(chǎng)站29號(hào)線基坑剖面圖

基坑使用Φ1200 mm鉆孔灌注樁，樁長38 m，樁間距1.8 m，采用樁單元模擬，支護(hù)樁重度γ取25 kN/m3，彈性模量E取34 GPa，泊松比v取0.2?？拥资褂忙? 200 mm抗浮樁，樁長24 m，采用樁單元模擬，抗浮樁重度γ取25 kN/m3，彈性模量E取38 GPa，泊松比v取0.2?？觾?nèi)豎向布置4道Φ609 mm×16 mm水平鋼管支撐，使用梁單元模擬，重度γ取78.5 kN/m3，彈性模量E取200 GPa，泊松比v取0.3。綜合考慮研究區(qū)域土體性質(zhì)，將土體劃分為2層，各層土體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

基坑及位移云圖如圖9所示。

(a)基坑水平位移

(b)基坑豎向位移

開挖完成后，基坑土體及圍護(hù)樁最大水平位移均為1.36 mm，位于基坑側(cè)壁-19.4 m處，基坑底面最大豎向回彈位移為4.89 mm，均小于水平位移預(yù)警值，水平鋼支撐軸力由上往下依次為265.46、385.26、512.74、495.94 kN，第三道水平鋼支撐有最大軸力為512.74 kN，小于鋼支撐軸力設(shè)計(jì)值。因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，成都錦城廣場(chǎng)站29號(hào)線基坑現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是安全可靠的。

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