基于HSS模型對深基坑止水帷幕的擋土效應(yīng)分析

謝曉風(fēng)，華建兵，2

(1.安徽理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 前 言

隨著中國的城市化發(fā)展，節(jié)能減排和碳中和成為了當(dāng)前的主要任務(wù)。而目前大部分建筑設(shè)計只考慮了排樁的擋土功能而沒有考慮高壓旋噴樁止水帷幕的擋土作用，造成了鋼筋、水泥的浪費，不符合當(dāng)前的“十四五”規(guī)劃綱要中提出“推動綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生”的要求。所以在考慮安全性的前提下，節(jié)省材料也成了首要任務(wù)。本文以安徽省宿州市埇橋區(qū)某大型基坑項目為基礎(chǔ)，利用plaxis2D軟件建立有限元模型。分析了在實際工程中高壓旋噴樁止水帷幕不同寬度和深度情況下排樁支護(hù)水平位移的變化。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目擬建地點位于安徽省宿州市埇橋區(qū)，火車站鐵路以東，沱河以南，港口路以西，道東大街以北，項目基地西側(cè)與宿州站站房相臨，最小距離為9 m，站房同期建設(shè)，本工程為宿州東站站前廣場改造工程，地下基坑長196 m，寬150 m，深度為5 m?？紤]到基坑南側(cè)擬建勝利路下穿隧道(同期施工)西側(cè)為新建宿州站站房(同期施工)，基坑南側(cè)、西側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級按二級考慮，其余地區(qū)周邊環(huán)境條件相對較好，基坑結(jié)構(gòu)安全等級按三級考慮。

1.2 水文地質(zhì)條件

施工場地空曠，地勢較為平坦，場地內(nèi)堆有大量雜填土、雜草等。擬建場區(qū)無大的區(qū)域構(gòu)造、活動斷裂等，屬于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造比較穩(wěn)定地區(qū)。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元模型建立的一些基本假定

土體硬化模型(HS模型)是假設(shè)土體的卸載再加載是彈性形變[4]。但實際工程中土體不可能是完全彈性的，完全彈性只能應(yīng)用于應(yīng)變處于非常小的時候。當(dāng)應(yīng)變逐漸變大時。土體的剛度會變?yōu)榉蔷€性。而小應(yīng)變土體硬化模型[5](HSS模型)繼承了土體硬化模型的優(yōu)點，又在此基礎(chǔ)上增加了G0ref和γ0.7，來顯示小應(yīng)變剛度即初始小應(yīng)變模量G0ref和剪切應(yīng)變水平γ0.7(割線模量Gs減小為原來的70%)，土層參數(shù)如表1所示。

表1 各土層HSS本構(gòu)模型參數(shù)表

2.2 幾何模型的建立

鉆孔灌注樁組成的排樁結(jié)構(gòu)采用板單元來模擬，采用等效剛度原則[6]，將排樁結(jié)構(gòu)等效為剛度相同的板結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

本模型采用15節(jié)點單元，進(jìn)行計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分，共劃分為9 037個單元，73 037個節(jié)點。土體采用二維單元，斜支撐采用點對點錨桿單元，并同時采用線彈性本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻采用板單元。模型建立區(qū)域通常為開挖深度的3～5倍，因此采取265 m×25 m。模型截斷邊界對模型的影響可忽略不計。因為土結(jié)構(gòu)相互作用界面比土體之間相互作用小，故Rinter強(qiáng)度折減系數(shù)取0.7?；拥拈_挖使用plaxis2D的凍結(jié)命令來實現(xiàn)。

3 計算結(jié)果分析

對選定模型進(jìn)行真實開挖進(jìn)程的模擬，分別對不同高壓旋噴樁止水帷幕的寬度和深度兩種工況下的變形進(jìn)行計算比較。

3.1 止水帷幕寬度對排樁水平位移的影響

通過plaxis2D模型分析以下5種情況：使用高壓旋噴樁深度為18.8 m,彈性模量為200 MPa，高壓旋噴樁之間搭接長度為200 mm，高壓旋噴樁寬度分別設(shè)置為D=0 m，D=0.8 m，D=1.35 m，D=1.9 m，D=2.45 m，提取出排樁樁身水平位移的數(shù)值，進(jìn)行比對。將數(shù)值導(dǎo)入origin軟件制成圖1。

圖1 止水帷幕寬度D對排樁水平位移的影響

將圖1的最大位移進(jìn)行比較可得到表3。

表3 排樁頂部位移減小率和止水帷幕寬度的關(guān)系

由圖1和表3可見清晰地看出，隨著止水帷幕寬度的增加，排樁水平位移在減小，特別是不加止水帷幕和加了止水帷幕之間位移減小率差別最大，所以在設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)考慮止水帷幕的阻擋水土壓力的作用。

3.2 不同止水帷幕深度對排樁水平位移的影響

使用寬度D=1.35 m，彈性模量為200 MPa，使用不同的高壓旋噴樁深度進(jìn)行模擬，深度分別設(shè)置為h=16 m，h=18 m，h=20 m，h=22 m，h=24 m,plaxis2D軟件模擬5種情況如圖2所示。

圖2 止水帷幕深度h對排樁水平位移的影響

將圖2的最大水平位移進(jìn)行比較整理得出表4。

表4 排樁頂部位移減小率和止水帷幕深度的關(guān)系

由表4可以看出隨著止水帷幕深度的增加排樁的水平位移逐漸減小，所以工程中可以適當(dāng)增加止水帷幕深度來減小排樁支護(hù)的水平位移。同時可見深度在20～22 m中存在一個最合理值來減小排樁的水平位移。

4 結(jié) 論

使用plaxis2D軟件建立有限元模型，通過分析了不同寬度、深度的止水帷幕對排樁水平位移的影響并且對實際工程中有無止水帷幕與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，通過樁頂水平位移的變化可以得出結(jié)論。

1)止水帷幕和排樁組合結(jié)構(gòu)中，止水帷幕可以協(xié)助排樁結(jié)構(gòu)阻擋水土壓力。

2)隨著止水帷幕寬度的增加，排樁的水平位移逐漸減小，說明止水帷幕對排樁周圍的水土壓力確實存在著阻擋作用。

3)隨著止水帷幕深度的增加，排樁支護(hù)的水平位移逐漸減小，并且對此工程存在一個最佳止水帷幕深度。

4)由于設(shè)計的排樁結(jié)構(gòu)的剛度過大，不能完全發(fā)揮止水帷幕的擋土功能。

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