某黄土深基坑变形特性数值模拟分析

2023-12-27李旺张子辰严长江

重庆建筑 2023年12期

李旺，张子辰，严长江

(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070)

0 引言

随着轨道交通行业的迅速发展，产生了大量明挖隧道深大基坑工程。这类基坑往往具有开挖深度大、工程地质条件复杂、周边环境复杂等特点，故在基坑的设计和施工过程中质量要求严苛，其中变形控制尤为重要，故须对深基坑支护变形特性进行研究[1-2]。采用MIDAS/GTS 模拟深大基坑的开挖、支护及变形是一种有效的研究方法。李辉、常虹、李方成、李明瑛和朱彦鹏等[3-7]基于MIDAS/GTS 对基坑进行有限元分析，他们的分析角度包括对不同开挖方式的模拟、对基坑变形及锚杆轴力变化模拟、对施工工序的模拟、对锚索轴力变化的模拟，并分析模拟中所得数据，研究基坑的受力及变形规律。许健[8]和吴意谦等[9]通过数值模拟并结合现场实测的方法对基坑进行研究，通过实测数据分析，验证数值模拟的合理性。刘维正和张浩龙等采用PLAXIS 3D 对深基坑的支护结构进行研究，得出支护结构不同位置受空间效应影响不同，且不同支护方式下，其受力特性也不同[10-11]。

目前虽有许多学者采用有限元软件来研究基坑工程，但每个基坑都有其个性，影响基坑稳定和变形的因素很多，很复杂。故本文以某明挖隧道黄土深基坑为研究背景，采用MIDAS/GTS 软件对桩锚支护结构深基坑进行三维数值模拟，分析了基坑在开挖过程中，不同深度处桩体的水平位移、基坑周边地表沉降、锚索轴力等的变化规律，预测基坑的变形情况，为优化基坑设计及安全施工提供一些建议。

1 工程概况

1.1 工程简介

兰州至张掖三四线铁路（简称“兰张三四线”）中川隧道明挖黄土基坑位于兰州市兰州新区中川镇。隧道起讫里程DK63+095.385～DK65+740，全长2 644.4 m，隧道全部采用明挖法施工。由于此明挖隧道基坑的开挖深度不同以及基坑周边环境的复杂多样，故不同段落的支护方式不同。对于DK63+095.385～DK63+900 段的隧道，沿大里程方向，基坑右侧采用钻孔灌注桩+锚索的支护方式；基坑左侧采用放坡+锚杆的支护方式。此段明挖隧道基坑净长为804.61 m，基坑开挖深度为16.30～16.45 m，基坑底部开挖宽度为39.70～41.00 m，顶部开挖宽度为54.17～55.40 m。

1.2 工程及水文地质条件

该隧道地处倾斜冲洪积平原区,地面高程一般为1938～1958 m，区内地形平坦开阔,表层植被较发育。地表水不甚发育，地下水主要属第四系松散层孔隙潜水，地下水位深20.5～34.9 m。隧道地层条件按时代由新到老分别包括了第四系全新统杂填土(Q4ml),冲洪积砂质黄土(Q4al+pl3)、粉(细)砂(Q4al+pl4)、中(粗)砂(Q4al+pl5)、砾砂(Q4al+pl5)、细圆砾土(Q4al+pl6),下伏为上第三系中新统泥岩(N1ms)、砂岩(N1Ss)、砾岩(N1Cg)。中川隧道场地地面以下各土层的物理力学参数如下表1 所示。

表1 土层物理力学参数

2 基坑支护设计方案

根据《JGJ 120—2012 建筑基坑支护技术规程》确定，该基坑侧壁安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数γ0=1.1。临时地面超载按20 kPa 考虑。综合考虑基坑工程地质及水文地质条件、基坑开挖深度与宽度及基坑周边环境条件等因素，该基坑在坡顶0～-3 m 范围内采取放坡开挖+土钉支护，-3 m 以下则采用桩孔灌注桩配合锚索的支护体系，根据基坑深度自上而下设5道预应力锚索。

围护结构相关参数图1 所示。

图1 围护结构剖面图

根据《GB 50497—2019 建筑基坑工程监测技术标准》可知，基坑各项目变形的控制值和预警值如表2 所示。

表2 监测项目控制值及预警值

3 MIDAS/GTS 建模

3.1 基本假定

结合基坑实际情况，在数值模拟中做出如下基本假定：①同一材料均为理想均质且各向同性材料；②各层土体均为理想弹塑性材料且各向同性；③钻孔灌注桩、锚索等支护结构均处于弹性状态，不考虑桩体内部钢筋的影响；④不考虑冠梁对支护结构的影响；⑤不考虑桩间土表面所用的网喷混凝土对支护结构的影响。

3.2 模型材料及属性

对基坑进行数值模拟时，将该模型的土体划分为五层。岩土体的本构模型选用修正摩尔—库伦（MMC）模型。建立模型时，各层土体采用3D 实体单元进行模拟，钻孔灌注桩和冠梁均采用1D 梁单元来模拟，而土钉、锚索则采用植入式桁架来模拟，钻孔灌注桩、冠梁、土钉和锚索的材料参数及结构属性如表3 和表4 所示。采用MIDAS 的自动约束功能设置模型的边界条件，自重荷载，并对钻孔灌注桩施加螺旋约束。基坑围护结构的材料参数如表3 所示。

表3 材料参数

表4 基坑围护结构属性

基坑围护结构属性参数如表4 所示。

3.3 建立有限元模型

选取中川隧道明挖基坑DK095.385～DK195.385 段右线一侧桩锚支护结构进行模拟，此段基坑长度为100 m，开挖深度为16.45 m，根据圣维南原理，模型的宽度取基坑开挖宽度的3～5 倍，模型的深度取基坑开挖深度的3～5 倍。最终所建基坑模型尺寸为x 方向100 m，y 方向80 m，z 方向-51 m。模型共划分50 678 个单元和40 260 个节点，三维有限元计算模型如图2 所示。

图2 三维有限元模型

3.4 开挖过程模拟

基坑的开挖与支护是一个随时间不断变化的过程，为了更真实地反映出基坑的开挖过程对基坑支护结构及周围土体的影响，通过采用MIDAS/GTS 有限元分析软件中激活或钝化单元来模拟基坑开挖及支护的施工过程。基坑开挖支护分六个工况进行，施工阶段如表5 所示。

表5 基坑施工阶段

4 数值计算结果分析

4.1 基坑水平位移云图分析

随着基坑开挖的进行，土体原有的平衡状态受到破坏，导致基坑产生变形。在基坑内侧卸去原有土体，致使桩体外侧受到主动土压力，从而产生向坑内的变形。

在工况一时基坑侧壁土体水平位移较小，为0.7 mm，到工况二时其值达到1.3 mm，工况三时为2.2 mm，工况四时为3.8 mm，工况五时为6.1 mm，工况六时为7.5 mm。基坑前四个工况完成后，基坑侧壁土体的水平位移变化量较小，而在工况五和工况六完成后，基坑侧壁土体水平位移明显增大。且在基坑开挖过程中，同一点的水平位移会随着基坑开挖深度的增大而增大。具体工况及基坑侧壁土体水平位移见图3 所示。

图3 水平位移云图

4.2 围护桩桩体侧向变形分析

以围护桩的顶点作为纵轴的零点，由图5 可知：工况一完成时，桩体最大水平位移为0.6 mm；到工况六结束时，桩体最大水平位移为6.7 mm。由变形曲线可知，桩体水平位移随基坑开挖深度增加而增大，最大水平位移值出现在桩体-5 m 左右处。在前三次工况中，桩身位移变化曲线基本呈线性，后三次工况中，桩身中上部分位移变化曲线呈现出外鼓状。在基坑底面线以上桩体水平位移明显大于基坑底面线以下桩体水平位移，基坑底面线以上部分桩体受到基坑开挖后主动土压力作用，导致变形较大，而下部分嵌入土体里面，对其变形有一定约束作用，故变形较小。曲线见图4 所示。

图4 桩体水平位移

图5 基坑周边地表沉降变形

4.3 基坑周边地表沉降分析

随着基坑开挖深度的增加，基坑周边地表的沉降也随之变大，地表沉降最大值由工况一完成时的-1.7 mm 增大到工况六完成时的-5.8 mm。通过基坑周边地表沉降曲线，可以看出地表最大沉降并不是出现在围护桩附近，而是出现在距围护桩15 m左右处。也就是说，虽然桩后有一定沉降变形，但并非最大值，而是随着距桩后距离的增加而增大，到桩后约15 m 处达到最大沉降值。基坑周边地表最大沉降值没有出现在桩后，其主因是围护桩桩后土体与围护桩之间的摩擦限制了土体的沉降所致。地表沉降变形曲线如图5 所示。

4.4 锚索轴力变化分析

随着基坑开挖深度的增加，锚索轴力也逐渐增加。第一道锚索预应力为60 kN，开挖结束后轴力为81.5 kN，增长了35.8%；依次类推，第二道锚索轴力增长了5.8%；第三道锚索轴力增长了4.4%；第四道锚索轴力增长了4.2%；第五道锚索轴力增长了11.5%。从5 道锚索的增长率来看，第一道锚索轴力变化最大。原因是第一道锚索附近基坑侧壁土体侧向变形比其他锚索附近的土体侧向变形更大，从而导致第一道锚索轴力变化更大。锚索轴力变化见图6 所示。

图6 锚索轴力

4.5 综合分析

将数值计算结果与预警值进行对比分析发现：基坑各项目的数值计算结果均未超过预警值，证明该设计是合理可行的。围护桩在支护中可以抵抗基坑坑壁土体滑动的侧压力，而锚索一端固定于坑壁，另一端锚固于稳定的岩土体之中，增大抗滑摩阻力，改善基坑周围岩土体的力学性能，在两者相互作用下支护桩和周围地表沉降都没有产生较大的变形，说明支护桩配合锚索的方式不仅可以有效地限制桩体及桩侧土体的侧向变形，也可以有效地限制基坑周围土体的竖向变形。桩体和周围土体产生的变形较小，反映出该设计相对保守，安全储备较高，有一定的优化空间。