基于數(shù)值模擬對深基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究

曾翀

（江西有色建設(shè)集團(tuán)有限公司，南昌 330000）

1 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化建設(shè)的速度不斷加快，城市地上空間的利用越來越緊張，人們不得不對地下空間進(jìn)行開發(fā)利用，使得基坑工程朝著更深的方向發(fā)展，并且對基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系提出了更高的要求[1]，其中放坡加排樁支護(hù)的結(jié)構(gòu)屬于常用的支護(hù)方式。

本文在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，通過對深基坑的特點(diǎn)及常見的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并借助有限元軟件，根據(jù)實(shí)際工程對放坡加排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 深基坑特點(diǎn)及常見支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

深基坑是指開挖深度大于或等于5 m 的基坑（槽）的土方開挖、支護(hù)、降水類工程?；庸こ叹哂忻黠@的地域性，不同環(huán)境下的基坑受到水文條件及地質(zhì)條件的影響，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求也不相同；基坑工程具有較強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)[2]，即在進(jìn)行基坑開挖時(shí)隨著時(shí)間的推移，土體具有蠕變性，土體變形增大、抗剪強(qiáng)度降低；基坑工程具有系統(tǒng)性，基坑工程不僅包括支護(hù)體系設(shè)計(jì)，還包括土方開挖方案，開挖的合理與否對基坑的安全至關(guān)重要，在施工的工程中，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，做到信息化施工。

常見的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)包括：放坡開挖及簡易支護(hù)結(jié)構(gòu)、懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)、水泥土重力式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)、土釘墻復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)、拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)及組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.1 放坡開挖及簡易支護(hù)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是通過選擇合理的開挖坡率，在開挖后土體能依靠自身的強(qiáng)度來保持邊坡的穩(wěn)定，必要時(shí)配合短樁或者隔板等簡易的支護(hù)結(jié)構(gòu)。這種支護(hù)結(jié)構(gòu)施工方便、造價(jià)低但需要有足夠的場地進(jìn)行放坡開挖。

2.2 懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)

懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)是通過向土體打入具有足夠剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)來保證基坑工程的整體穩(wěn)定，常見的懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)有板樁式結(jié)構(gòu)、排樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻。該結(jié)構(gòu)對基坑開挖深度較為敏感，容易產(chǎn)生基坑變形，適用于土質(zhì)條件較好、基坑開挖深度較淺且對基坑變形要求不高的基坑工程[3]。

2.3 水泥土重力式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)利用水泥攪拌設(shè)備，在基坑的周邊以水泥類材料為固化劑將原狀土進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，以此形成柱狀的加固擋墻，適用于淤泥質(zhì)黏土地區(qū)。

2.4 土釘墻復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

該支護(hù)結(jié)構(gòu)是由土釘群、噴射混凝土及加固土體一起組成的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)能做到隨處開挖隨處支護(hù)，能夠有效地保持土體的強(qiáng)度，適用于開挖深度在5～10 m 的基坑工程。

2.5 拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)是由擋土系統(tǒng)與外拉系統(tǒng)組成，通過不同的系統(tǒng)進(jìn)行組合，可適用于大多的基坑工程。

2.6 組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)

當(dāng)單一的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能滿足基坑支護(hù)的安全性和經(jīng)濟(jì)性時(shí)，可以將不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，如放坡+單排樁、土釘墻+錨索、地下連續(xù)墻+錨索等，充分地發(fā)揮不同支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢[4]。

3 工程概況

本工程建筑面積為50 000 m2，占地面積為13 836 m2，為2層地下室，基坑的開挖深度為6.4～10.5 m，分為東西南北4側(cè)，在東側(cè)（CDE 段），地下室與用地紅線的距離為5 m，紅線外為城市的次干道距地下室邊線10 m，道路中心沿線有雨水下水管管線，埋深約1.5 m，距基坑邊壁最小距離為12.5 m，臨近基坑有2 座污水接入井，距離基坑邊緣約5 m，埋置深度3.5 m；在南側(cè)（EFG 段）地下室與用地紅線的距離為5.7 m；紅線外為現(xiàn)狀臨時(shí)便道；西側(cè)（GHA 段）地下室與用地紅線的距離為5.5 m；紅線外空地，預(yù)計(jì)后期建設(shè)規(guī)劃道路；北側(cè)（ABC 段）地下室與用地紅線的距離為6.3 m；紅線外為城市次干道，距地下室邊線12 m，道路沿線有雨水下水管管線，埋深約1.5 m，距基坑邊壁最小距離為12.5 m，臨近基坑有2 座污水接入井，距離基坑邊緣約5 m，埋置深度3.5 m。綜合判斷該基坑的ABC段、DEF 及FGHA 段支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，基坑CD 段支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。土層基坑設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層基坑設(shè)計(jì)參數(shù)表

綜合分析，該基坑開挖深度范圍內(nèi)揭露的地層主要為素填土、粉質(zhì)黏土，下伏基巖埋深較淺。該基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)有一定的放坡空間，且坡頂無建筑物，但坡頂距離道路較近，基坑開挖深度相對較大，上述區(qū)段可考慮采用放坡+排樁支護(hù)的形式進(jìn)行基坑支護(hù)。在CD 段：開挖深度為10.7 m，上部設(shè)計(jì)采用坡比1∶1 自然放坡，放坡高度為2.0 m，坡面采用噴漿掛網(wǎng)進(jìn)行防水處理,下部設(shè)計(jì)采用φ1 500 mm＠1 800 mm 鉆孔灌注樁。樁頂標(biāo)高為27.4 m，樁長18.70 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，嵌固深度為10.0 m，樁頂冠梁寬度為1.7 m，高度為0.8 m，地面的超載為30 k Pa。對該支護(hù)形式進(jìn)行有限元模擬分析。

4 有限元分析

4.1 有限元軟件介紹

本文所采用的有限元軟件為MIDAS-GTS 軟件[5，6]，該軟件是基于C++語言編程，以有限元理論為基礎(chǔ)，針對巖土和隧道工程的專業(yè)分析軟件；不僅可以進(jìn)行靜力分析、動(dòng)力分析，還能進(jìn)行施工階段的模擬分析、邊坡的穩(wěn)定性分析；具有較強(qiáng)的前處理和后處理功能，相比于其他的有限元軟件能較好地處理操作復(fù)雜、建模煩瑣等問題。

4.2 三維有限元模型的建立

在MIDAS-GTS 軟件中建立三維模型的具體的操作一般包括以下幾個(gè)部分。

4.2.1 定義材料的屬性

在MIDAS-GTS 軟件中材料屬性的定義包括一般的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及對應(yīng)的本構(gòu)模型的定義。本文中的巖土體等參數(shù)根據(jù)實(shí)際的工程案例進(jìn)行輸入

4.2.2 三維幾何模型的建立

因?yàn)镸IDAS-GTS 的集合建模窗口與CAD 軟件相似，因此用該軟件來建立三維的集合模型較為簡單。

4.2.3 網(wǎng)格的劃分

對于有限元軟件來說進(jìn)行網(wǎng)格的劃分是關(guān)鍵的一步，合理的網(wǎng)格尺寸能直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在GTS 中提供了兩種網(wǎng)格劃分的類型，分別為六面體和四面體兩種，其中六面體的網(wǎng)格更為精確，但不適用于不規(guī)則的幾何模型。一般較多采用四面體類型。

4.2.4 設(shè)置分析條件

當(dāng)網(wǎng)格劃分完成后，進(jìn)行模型邊界的設(shè)置及荷載的添加等初始條件的附加。在本文中將模型的底部、側(cè)面及前部設(shè)置為固定邊界，支護(hù)樁底鉸接。

4.2.5 模型運(yùn)算分析

在進(jìn)行模型運(yùn)算分析時(shí)可以利用GTS 進(jìn)行施工階段管理的模擬，每個(gè)施工階段相關(guān)的網(wǎng)格、荷載以及邊界條件可以通過激活和鈍化命令來決定荷載是否發(fā)揮作用，以此得到整個(gè)施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移的變化。

4.2.6 模擬結(jié)果查看分析

待軟件運(yùn)行完成后就可以進(jìn)行模擬內(nèi)力、彎矩和位移等計(jì)算結(jié)果的查看分析，也可以提取有用的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖的繪制。

4.3 有限元結(jié)果分析

通過模擬本文對開挖完成后的水平位移及豎向位移進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2 所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移統(tǒng)計(jì)表

從表2 可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移最大值為11.96 mm，周邊地表沉降最大值為1.13 mm，均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求?；娱_挖對周邊環(huán)境的影響在可控范圍之內(nèi)，在實(shí)際施工中還需加強(qiáng)施工監(jiān)測，進(jìn)行信息化施工。

5 結(jié)論

本文對深基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際工程案例，借助有限元軟件建立三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，放坡+排樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)可以保證基坑的安全及穩(wěn)定，但在實(shí)際施工過程中還需加強(qiáng)施工監(jiān)測，進(jìn)行信息化施工。