基坑开挖引起的围护结构变形及土体沉降分析

1 有限元模型选择

为了更好地研究基坑开挖引起的连续墙变形及基坑周边地表沉降,结合杭州软土质地质特点,通过Plaxis 8.2 二维有限元软件对基坑的开挖行为进行模拟,土体本构模型选用Plaxis Hardening Soil Model和Mohr-Coulomb 模型。由于刚度依赖于应力水平和应力路径的Plaxis Hardening Soil Model 的土体模型,更加符合基坑开挖的实际情况和本文研究的模型。

为得到更加精确的计算结构, 忽略桩身尺寸效应,桩体采用梁单元离散,为了减小单元数量,土体采用高精度的15节点三角形单元离散,该单元提供4 阶位移插值, 数值积分采用12个高斯应力点, 能够对本文模型模拟对于实际情况有较为良好的计算结果。

2 模型的建立

该模型长60 m,高40 m,开挖部分宽度为40 m,最终开挖深度20 m,基本模型采用的围护墙长度为30 m,共设4道内支撑,内支撑深度位置为0，-4，-8，-12，-16 m,由于对称性,仅选取基坑的一半进行分析。

整个模型在模拟开挖过程中,其各自变量数值均不变,仅变化开挖深度,以此控制变量来研究基坑开挖对于围护墙及土体沉降的影响。

3 开挖过程模拟

① 围护结构施工→②第一道内支撑施工→③第一层土开挖,开挖深度为4 m,同时将基坑内部水位降至地表以下4 m 深度处→④施加第二道内支撑→⑤第二层土开挖,开挖至地表以下8 m 深度处,同时将基坑内部水位降至地表以下8 m深度处→⑥施加第三道内支撑→⑦第三层土开挖,开挖至地表以下12 m 深度处,同时将基坑内部水位降至地表以下12 m深度处→⑧施加第四道内支撑→⑨第四层土开挖,开挖至地表以下16 m深度处,同时将基坑内部水位降至地表以下16 m深度处。模拟结束,其示意图见图1。

图1 Plaxis 数值模拟模型示意图

4 土体模型及各参数设置

根据Mohr-Coulomb 模型的破坏模式。输入参数c、Φ、R。

为了更好地分析土体开挖过程中各参数对围护结构土体沉降的影响,本章数值模拟采用单一均质土层,土质参数见表1。连续墙特性见表2。横向支撑特性见表3。

表1 土质主要参数表

表2 连续墙材料参数

表3 横向支撑材料特性

5 基坑开挖对围护墙侧移及受力影响

图2 连续墙水平位移图

图3 连续墙弯矩图

图2为基坑开挖过程中,连续墙水平位移变化图；图3为连续墙弯矩值变化图。

由图可见,位移的变化基本呈现线性变化,当开挖深度为4，8，12，16 m时,在连续墙同一位置水平位移的最大值也是随开挖深度的增加而增大,水平位移最大值分别为20,40,70,140 mm；而弯矩变化是呈双曲线变化,当开挖深度为4，8，12，16 m时,最大弯矩值分别为200，500，870，1 100 kN·m/m,且最大弯矩出现的地方与开挖的深度位置基本保持一致。

6 基坑开挖时坑外地表沉降分析

截取AA′地表的垂直位移来研究基坑开挖过程中,在没有坑内外桩基的情况下,地表的沉降情况。见图4。

图4 坑外地表示意图

图5 坑外地表随开挖的变化曲线

图5横坐标为距离基坑的位置,纵坐标表示坑外地表沉降深度,负值代表向下。从图中可以看出,在不同开挖深度的情况下,沉降也随之增加,在开挖深度为4，8，12，16 m时,沉降量最大值分别为7，12，21，75 mm,且随着离基坑围护墙越来越远,地表沉降也越来越大,并在离基坑25 m左右处基本达到最大值,之后地表沉降减小。

7 结 语

1)通过岩土工程有限元软件Plaxis 8.2, 对基坑分步开挖过程建立了二维模型,进行了数值模拟, 对基坑在不考虑内外基桩,通过对问题的简化,更清晰地分析了基坑开挖过程中对围护墙侧移及坑外地表垂直位移的情况。

2)通过数字模拟和理论分析[1-4],可以得到随着开挖深度的增加,同一位置连续墙的水平位移和弯矩也相应增加,且最大弯矩出现的地方与开挖的深度位置基本在同一水平面。

3)随着基坑开挖深度的增加,坑外地表沉降也增大；且同一开挖深度情况下,周围地表塌陷的变化幅度均是先增大后减小的趋势。

参 考 文 献

[1] 李卫明,汪伟民,雷明锋,等. 长大深基坑围护桩施工力学特性分析[J]. 公路工程,2009(3):97-101．

[2] 罗耀武,凌道盛,陈云敏,等. 环形超深基坑围护结构受力变形特性分析[J]. 岩土力学,2011(2):617-622．

[3] 中国建筑科学研究院.JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4] 中国建筑科学研究院.JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2008.