單梁支撐時(shí)不同開挖深度對基坑變形的影響

宗學(xué)才，侯付闖

(1.東營市水務(wù)局，山東 東營 257091；2.陜西中凱恒瑞工程項(xiàng)目管理有限公司，西安 710000)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)，地下空間迎來了蓬勃發(fā)展的時(shí)代，在我國，隨著各大城市地鐵工程的不斷興建和中遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃中的大量地鐵工程，深基坑勢必是地鐵車站興建時(shí)遇到的首建和難建工程。楊博維采用FLAC3D對不同支護(hù)條件的基坑開挖過程進(jìn)行了過程開挖模擬，通過分析不斷開挖過程中的基坑頂部、底部和側(cè)壁位移變化，為實(shí)際工程的基坑開挖提供了支護(hù)建議[1]。陳榕等對廣泛應(yīng)用于淤泥質(zhì)軟土地區(qū)基坑開挖施工的側(cè)壁支護(hù)地下連續(xù)墻和底部施打水泥攪拌樁的支護(hù)方案的可靠性進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證，采用的數(shù)值分析軟件是FLAC3D，結(jié)果證明了該支護(hù)方案可安全保證淤泥質(zhì)軟土地區(qū)的深基坑工程的開挖施工，并且客觀上驗(yàn)證了FLAC3D可以用于基坑開挖變形的有效模擬軟件[2-3]。高濤等采用FLAC軟件對基坑開挖工程中的鋼梁支撐軸力大小進(jìn)行了分析，結(jié)果表明FLAC可以用于基坑支撐結(jié)構(gòu)變形研究的工具[4-6]。徐幫樹等為了驗(yàn)證復(fù)合土釘墻支護(hù)基坑方案的有效性，采用FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算，對計(jì)算過程中的具體設(shè)置做了明確說明，詳細(xì)分析了基坑變形可能造成的各種構(gòu)建的力學(xué)相應(yīng)，指出在應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行該種復(fù)合支護(hù)方案的可靠性研究時(shí)在FLAC3D可以采用錨桿和土體相互作用的模型來近似模擬，計(jì)算精度較高，得出的結(jié)果可靠[7-8]。張璐等研究了基坑開挖導(dǎo)致的地表變形開裂對附近建筑構(gòu)成的不利影響，指出了周邊建筑變形破壞的誘發(fā)因素，其主要采用FLAC進(jìn)行計(jì)算分析[9-10]。劉賀等開發(fā)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于基坑的變形監(jiān)測，并成功運(yùn)用于長春市火車站北廣場的深基坑開挖變形監(jiān)測中，所開發(fā)的方法主要是基于粒子群優(yōu)化算法[11]。

文章通過FLAC3D自帶的建模工具，構(gòu)建了一個(gè)基坑開挖模型，同時(shí)采用梁結(jié)構(gòu)單元對基坑上部進(jìn)行加固支撐，設(shè)置好基本條件后，進(jìn)行計(jì)算，獲得了基坑變形的位移云圖和鋼梁結(jié)構(gòu)單元的軸力大小，得出隨著開挖深度的加大，這些關(guān)鍵穩(wěn)定指示參數(shù)的變化特征。

1 FLAC3D中梁體結(jié)構(gòu)單元

FLAC3D有三種線性結(jié)構(gòu)體，包括梁、錨索和樁[12]。梁結(jié)構(gòu)體包括梁構(gòu)件和梁節(jié)點(diǎn)，梁結(jié)構(gòu)單元在建立完成后，需要對其彈性模量、泊松比(或體積模量、剪切模量)、橫截面積、y、z軸的慣性矩和極慣性矩進(jìn)行設(shè)置。另外還有密度、塑性矩、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)可供選擇設(shè)置。

2 模型構(gòu)建

如圖1(a)、(b)所示，構(gòu)建兩種基坑開挖深度的基坑模型，基坑開挖深度分別為2m、3m，基坑開挖寬度和長度一致，開挖寬度2m，開挖長度4m，基坑材料為土質(zhì)材料，賦予其相應(yīng)的土體材料參數(shù)。

(a)基坑開挖深度2m (b)基坑開挖深度3m

3 計(jì)算結(jié)果

本節(jié)集中討論兩種開挖深度條件下，支撐鋼梁的軸力和基坑側(cè)壁及底部的變形情況，通過比較兩種不同開挖深度條件下的鋼梁軸力和基坑主要位移區(qū)的變形大小，得出隨著開挖深度的不斷加大，各參數(shù)的變形規(guī)律。

3.1 基坑開挖深度為2m

基坑開挖2m時(shí)，單梁橫支撐的軸力云圖，如圖2(a)所示?？梢?，當(dāng)基坑開挖深度為2m時(shí)，鋼梁橫支撐受到的軸力大小大約為968N，整個(gè)鋼梁受力均勻，未出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。當(dāng)基坑開挖深度為2m時(shí)，基坑的側(cè)壁和底板的位移云圖如圖2(b)所示。由圖2(b)可知，該開挖深度條件下，未見側(cè)壁發(fā)生明顯位移，這說明設(shè)置的鋼梁橫支撐發(fā)揮了很好的作用，變形主要集中在基坑的底板位置，變形最大處位于基坑的底板中間部分，最大變形位移為0.0004835m，方向向上，表明底板有發(fā)生底鼓的危險(xiǎn)，但是該最大位移值較小，說明在此開挖深度條件下，采用單梁支撐方案，基坑是安全的。

(a)鋼支撐軸力大小 (b)位移云圖

3.2 基坑開挖深度為3m

基坑開挖3m時(shí)，單梁橫支撐的軸力云圖，如圖3(a)所示。由圖所示軸力值可知，當(dāng)基坑開挖深度為3m時(shí)，鋼梁橫支撐受到的軸力大小大約為3159N，相對于基坑開挖2m時(shí)的軸力大為增加，整個(gè)鋼梁受力均勻，未出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。當(dāng)基坑開挖深度為3m時(shí)，基坑的側(cè)壁和底板的位移云圖如圖3(b)所示。由圖示位移值大小可知，該開挖深度條件下，側(cè)壁已出現(xiàn)明顯位移，側(cè)壁變形凸顯，但是在鋼梁橫支撐附近的變形較小，隨著與鋼梁橫支撐距離的不斷加大，側(cè)壁變形值不斷加大，在一定位置處達(dá)到極大值，隨后又逐漸減小，形成了以鋼梁支撐點(diǎn)為中心的變形圈云，這說明設(shè)置的鋼梁橫支撐發(fā)揮了很好的作用，較大變形主要集中在基坑的底板位置，變形最大處位于基坑的底板中間部分，最大變形位移為0.0007301m，方向向上，相比基坑開挖深度為2m時(shí)，最大變形位移明顯增大，表明底板有發(fā)生底鼓的危險(xiǎn)，但是該最大位移值較小，說明在此開挖深度條件下，采用單梁支撐方案，基坑是安全的。

4 結(jié) 論

通過分析基坑不同開挖深度時(shí)，鋼梁橫支撐的受力情況和基坑邊墻的底板的變形特征，主要獲得以下3點(diǎn)有益結(jié)論：

1)隨著基坑開挖深度的不斷加大，設(shè)置在同一位置處的鋼梁橫支撐的軸力也隨之增大。

2)側(cè)壁位移變形將隨著開挖深度的加大而凸現(xiàn)，通過對變形較大處的分析可以確定下一根鋼梁橫支撐應(yīng)設(shè)置的合理位置。

3)基坑開挖較易發(fā)生底鼓變形，且隨著開挖深度的增大，這種可能性也隨之提高。