程联伟

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京102600)

0 前 言

本文以西安某深基坑支护工程为背景,结合FLAC3D有限差分软件,建立了空间三维有限差分分析模型,对预应力锚索复合土钉支护结构施工进行了三维动态数值模拟,分析总结了在基坑分步开挖过程中,深基坑侧壁土压力与变形;支护结构的受力分布、水平位移;地表面的沉降;坑底的隆起空间分布情况及变化规律。

1 工程概况

拟建工程建筑面积约为87 000 m2,基坑开挖深度为-16.8 m。根据钻探揭露,场地地层在地基设计影响范围内分为6层:第1层为填土(Q4ml);第2层为黄土(Q3eol);第3层为黄土(Q2eol);第4层为古土壤(Q3el);第5层为粉质粘土(Q2al);第6层为粉质粘土(Q2al)。各土层物理力学性质见表1。在勘察期间,实测场地地下水稳定水位埋深7.30 m～9.80 m,属潜水类型。

2 建立计算模型及计算分析

2.1 建立计算模型

依据Duncan与Goodman建议边坡的计算范围取边坡坡脚以下边坡高度H深、坡脚左右水平2H～3H的范围。本文采用70 m×3.75 m×33.6 m的计算模型;土钉、锚索单元采用FLAC3D中的锚索结构单元,土钉及锚杆设计参数见表2;混凝土面层采用FLAC3D中的壳单元来模拟,用户可以根据计算的精确程度定义三角形单元的大小、壳结构单元的厚度、材料属性以及壳结构与土体之间的作用方式。通过对不同位置上的节点设置监测历史记录,可以得到作用于喷射混凝土面层的土压力变化过程;腰梁采用FLAC3D中的梁结构单元进行模拟。

表1 土层物理力学指标

表2 土钉与锚杆的设计参数

2.2 基坑开挖施工过程模拟

本文采用FLAC3D软件对基坑开挖施工过程的模拟采用以下步骤:①基坑第一步开挖,设置第1排土钉,设置坑壁喷护面层,进行模型平衡计算。②基坑第二步开挖,设置第2排土钉,设置坑壁喷护面层,进行模型平衡计算。③分别进行第三、第四等各步依此类推,每步超挖深度为0.5 m,依次开挖支护至坑底。

2.3 结构水平位移特征

在基坑开挖设计过程中,基坑支护结构的水平位移的大小和范围如何随基坑开挖而变化是设计者最关心的问题,研究每个工序对支护结构的水平位移的影响变化是非常必要的。图1为开挖结束后支护结构的水平位移等值线图,图2为在FLAC3D模型监测到的基坑坑壁随每步施工的水平位移随深度变化分布曲线,图3为采用FLAC3D进行模拟的结果与实测结果水平位移对比曲线。

图1 基坑水平位移等值线图

规律总结与结果分析[1-3]:①在基坑开挖支护前期,基坑变形主要是由于基坑开挖后应力不均,在应力重分布过程中引起基坑的初步变形,此时变形最大位置在开挖面以下的土体中。特别是前三步开挖,以此变形为主。随开挖的进行,基坑变形的增大,此类变形逐渐失去主导地位。②基坑坑壁的水平变形,随开挖进行逐渐增大。每一步开挖均引起一定的水平位移增值,并且每一步的开挖所引起的边坡水平位移增量相差较小。同时,坑壁的最大水平位移增量常出现在上一步开挖面下方不远处,由此可见,每次开挖影响最大的位置在临近的临空面附近。③距离坑壁较远的位置土体的水平位移近似为零,远离坑壁方向的土体的位移逐渐变小,靠近开挖面的土体水平位移较大。基坑最大变形发生在约距基坑底面基坑开挖深度处,在支护设计过程中应充分考虑这一特点,为更好控制基坑变形需增强此处支护结构的设计。④设置土钉及锚杆位置的坑壁水平位移明显减小,坑壁水平位移沿深度变化同一高度的土体距土钉较近位置的水平位移较小,越远离土钉的位置,水平位移越变大。这一现象说明土钉对土体侧向变形限制作用非常明显。⑤由于土钉及锚杆对被加固土体的约束作用,能较好地限制基坑变形。经过土钉及锚杆加固后的复合土体内部的水平位移相对较小,表明土钉锚杆及土体一个彼此相互作用的有机整体,因此在结构分析过程中不应将各部分简单的分开考虑。⑥土钉支护结构的柔性特点决定着支护结构抵抗侧向位移较弱,每步的开挖深度虽然很小,由于侧向及底部约束的解除,尽管坑壁仍然能够保持自立稳定,边坡还是产生一定的水平位移。开挖深度除第一步为2.0 m外,其他各步均为1.5 m,卸载量变化不大,使得坑壁水平变形曲线形状非常相似。

图2 模型监测水平位移变化曲线

采用FLAC3D分析结果与实测基坑水平位移存在差异的主要原因是:①由于基坑水平位移观测基准点的位置位于基坑变形影响范围内,使得所观测的数据存在误差;②由于基坑开挖前的降水使得坑壁土体水份流失,力学性质改变等影响因素为在FLAC3D计算时考虑;③采用网格进行区域划分,采用网格节点上离散场值来代替区域内连续分布的场,用有限个网格节点来代替连续的求解区域带来的误差。

图3 模拟与实测水平位移变化曲线

2.4 结构垂直位移特征

在此工程中,引起地面沉降的主要因素是地下降水。但是,在模拟过程中仅考虑降水结束后,由基坑开挖所引起的地面沉降大小及变化规律,如图4所示。

图4 基坑开挖垂直位移等值线图

规律总结与结果分析:①随着基坑的开挖,天然土层的原始平衡状态被破坏,形成二次应力场[1]。基坑开挖影响范围内应力重新分布,坑脚处应力集中分布。基坑底面由于开挖卸载,地面土体出现一定量的回弹。新形成的坑壁有向下移动的运动趋势,对卸载后的基坑底面土体产生挤压作用,从而土体形成挤压隆起现象。②基坑地表的竖直位移沿远离坑壁方向呈曲线分布,每步开挖上一层土体的沉降量最大,与水平位移特征相同,每次开挖地表的变化曲线非常相似。基坑地面竖向变形较小,在土钉支护范围内表现十分明显,由此可见,土钉及锚杆的设置不但可以增加土体的整体强度,而且抑制了土体竖向变形的趋势[4-5]。

2.5 土钉及锚杆受力特征

在模型分析中,土钉和锚杆均用cable单元进行模拟,假设结构单元的拉力在一个小的范围内是均匀分布的,在此模型中每根土钉按照Δ z=1.0 m、每根锚杆按照Δz=0.955 m的原则等分为若干段,拉力大小相等。计算每个节点的应力在每个时间步长中的变化,并进行积分得到每根土钉的应力分布。

规律总结与结果分析:①结构中各排土钉承受的拉力在土钉长度方向呈相似曲线分布。每一步开挖均会引起土钉拉力的一定增量,土钉每段的增量近似相同,曲线整体分布趋势相近。各排锚杆的自由段所承受的拉力相同为水平直线分布,随后呈现近似直线减小,此直线段部分很短,然后变为凸向曲线减小为零。②对同一排土钉的结果分析表明,土钉中间靠近土钉与面层连接的一端承受的拉力最大,向两端方向受力逐步递减。各排土钉在靠近面层的一端,土钉拉力变化较小,均接近于一个定值;在土钉的末端,土钉承受的拉力均递减至接近于零,并且越接近土钉末端所承受的拉力减小速度越快。由此可知土体变形较大的地方常是承受拉力较大的地方,也是坑壁最危险的地方。③在基坑开挖过程中,每一排土钉或锚杆承受的拉力增量最大是在其下一步开挖和支护结构设置过程中产生的。因此,为确保结构安全施工顺利进行,应该保证上一排土钉或锚杆的结构强度达到设计要求,达到一定的承载能力后,才能进行下一步施工步骤。④在复合型土钉支护结构中,上部坡顶及下部坡底的土钉承受拉力较小,其中坡底的土钉承受的拉力大于坡顶部位的土钉拉力;位于中间部位的锚杆承受较大的拉力,其中第1排锚杆承受拉力最大;位于锚杆中间两排土钉承受的拉力同样较小,最大拉力位于靠近土钉与面层连接的一端。因此,在设计时为了更有效的控制地面变形,建议适当增加第1排锚杆的长度;锚杆中间土钉受力较小,不能充分发挥作用,建议适当减小位于锚杆中间的土钉长度,满足其局部稳定要求即可;下部坡底部位的土钉受力特点,建议采用短而密的土钉布置方式。

综上:由FLAC3D软件模拟的单根土钉拉力变化规律、每步开挖所引起的各排土钉及锚杆的拉力增长大小、土钉承受最大拉力的位置等与理论分析及实测数据变化规律基本吻合,可作为研究复合型土钉支护的有效工具。

2.6 支护结构的应力应变特征

支护结构的应力特征主要包括:最大主应力σ1、第二主应力 σ2和最小主应力 σ3、剪切应变等变化特征。在各步开挖结束后,在基坑底部靠近坡脚位置,受力状况比较复杂。因此,在复合型土钉支护设计过程中,应对此位置给予足够重视。模型中应力符合屈服准则的塑性区范围如图5所示,在坡面及坡脚处均存在过去曾经屈服单元,从而进一步说明坡脚处应力的复杂性及支护设计的重要性。必要时应考虑对坡脚采取提前加固以确保结构安全。

图5 应力符合屈服准则的塑性区范围

3 结 论

本文采用FLAC3D岩土数值分析软件对土钉+锚杆复合型土钉支护结构进行三维立体模拟分析研究,考虑了基坑分步开挖对支护结构的影响,从而分析和总结了支护结构中各因素随开挖进行所产生变化规律[6-7]。

(1)坑壁水平位移的分布规律。在基坑开挖支护前期,基坑变形主要是在应力重分布过程中产生的初步变形。随开挖进行水平变形逐渐增大,靠近开挖面的土体水平位移较大。基坑最大变形发生在约距基坑底面1/3基坑开挖深度处。土钉对土体侧向变形限制作用非常明显,土钉锚杆及土体是一个彼此相互作用的有机整体,因此在结构分析过程中不应将各部分简单的分开考虑。

(2)地面沉降分布规律。随着基坑的开挖,基坑开挖影响范围内应力重新分布,坑脚处应力集中分布。基坑地表的竖直位移沿远离坑壁方向呈曲线分布,每步开挖上一层土体的沉降量最大。基坑底面土体出现一定量的回弹。新形成的坑壁有向下移动的运动趋势,对卸载后的基坑底面土体产生挤压作用,从而土体形成挤压隆起现象。

(3)土钉及锚杆的轴拉力分布。各排土钉承受的拉力在土钉长度方向呈相似曲线分布。每一步开挖均会引起土钉拉力的一定增量,土钉每段的增量近似相同,曲线整体分布趋势相近。土钉中间靠近土钉与面层连接的一端承受的拉力最大,向两端方向受力逐步递减。

(4)复合型土钉支护的应力应变特征。被加固土体沿潜在优势滑裂面上存在着滑移的趋势,对基坑底部坡脚位置的土体产生挤压作用,使得基坑底面隆起变形,在基坑底部靠近坡脚位置,受力状况比较复杂,在坡面及坡脚处均存在过去曾经屈服单元。

[1] 王永焱,林在贯.黄土的结构与物理力学性质[M].北京:科学出版社,1990.

[2] 钱鸿缙,王继唐,等编.湿陷性黄土地基[M].北京:中国建筑工业出版社,1985.

[3] 郑建国,张苏民.湿陷性黄土在增湿时的强度特性[J].水文地质工程地质,1989,(2):22-25.

[4] 高永贵,刘宗洲.西安地区深基坑边坡支护设计探讨[J].西安建筑科技大学学报,1998,30(3):261-264.

[5] Schlosser F,Unterreiner P.Soil nailing in france:research and practice[J].Transportation Research Record,1991,1330:72-79.

[6] Schlosser F.Behavior and Design of Soil Nailing[C]//Proc.of Symposium on Recent Developments in Ground Improvement Techiques,Bangkok,1982:380-420.

[7] 李厚恩,秦四清.预应力锚索复合土钉支护的现场测试研究[J].工程地质学报,2008,16(3):393-400.