山东引黄灌区工程构筑物深基坑支护技术研究

王延杰

（济宁市水利事业发展中心东鱼河分中心,山东 鱼台 272300）

1 引言

淤泥质软土地层在沿海地区较为常见,位于沿海区域的山东省更是以深厚层的淤泥质软土地层而在工程界尤其是基坑工程领域闻名遐迩,曾经困扰着众多工程师和基坑专家,尽管目前已经形成了一定的基坑施工技术处理该类土质条件下的基坑开挖施工,但是缺乏有效验证。许多学者采用FLAC3D 软件对各类地质条件下的基坑工程的支护加固技术进行了验证研究。于丹等[1-2]通过FLAC3D 软件分别模拟了基坑采用传统的桩锚支护和另一种经济的疏排桩锚加土钉墙联合支护技术条件下的基坑位移和应力相应,研究结论证明传统的桩锚支护技术更为可靠,这避免了新型支护技术的不可靠盲目应用。张骞棋等[3-4]对Geostudio 和FLAC3D 两个数值计算软件各自优点在充分认识基础上,对一公路堆积体边坡采用Geostudio 结合FLAC3D 软件共同对其滑坡稳定性特征进行了研究,并基于两软件的计算结果,提出了一种新的边坡稳定性论证方法。钟志辉等[5-6]研究了如何将Midas 软件构建的边坡模型应用于FLAC3D 数值计算中,研究成果为工程中复杂边坡模型的数值模拟计算提供了便利和新途径。何忠明等[7-8]利用Geo-studio 软件seep 模块在处理渗流问题上的优越性,先将边坡模型在seep 中进行计算获取渗流结果后,将带结果的边坡模型导入FLAC3D 中进行后续分析,作者深入学习并运用发挥了两个软件各自的优势,为边坡渗流稳定性分析开拓了新思路。杜学领[9]对巷道支护和隧道支护中普遍应用的锚杆支护技术在FLAC3D 中的实现和当前应用的领域和成果进行了总结,指出了当前应用中存在的若干问题,主要说明了未来需有效加强应用的多个方面。周斌等[10-11]采用新近提出的抗剪强度折减理论在FLAC3D 中进行边坡稳定性的分析,说明了FLAC3D 软件在边坡稳定性研究方面的可靠性。

本文依托山东引黄灌区工程构筑物工程,对深基坑的支护技术进行了数值模拟研究,在FLAC3D 软件中依托工程实际构建了一个基坑开挖模型,分析比较水平方向上不同道横向钢梁支撑条件下,基坑的变形特征和钢梁支撑的受力特点,提出了基坑开挖支护技术,为今后基坑施工支护方法的选择提供了有益增选项和可靠指导。

2 工程概况

东昌府区引黄灌区为位山灌区,设计灌溉面积80.4 万亩,有效灌溉面积66.5 万亩。位山灌区引黄水源对全区进行了全部覆盖,骨干渠道为位山二、三干渠,年引水1 亿m3。通过疏浚、衬砌沟渠、新建、改建、维修建筑物,增加水源工程、配合现有信息化平台,增加计量、闸门控制等装置,起到节约农业用水,强化用水计量,规范用水管理,减轻管理工作负担的作用。新改建闸、桥梁建筑物开挖基坑,基坑宽2 m,长12 m,为了加快工程进度,工程施工中拟采用地连墙加横向钢支撑的支护方式对基坑进行支护。

3 FLAC3D 中的线性结构单元

FLAC3D 提供有三类线性构件,可供读者选择使用,包括梁体结构、锚索结构和桩基结构单元体[12]。梁体结构构件由梁体构件和梁体节点组成,主要通过‘struct beam create byline’命令进行设置,同时,设置完成后,对梁体相关属性参数进行赋值,这样才能保证后续计算的顺利进行,其中涉及到X、Y 轴的惯性矩计算和极轴惯性矩计算,需要用户具备一定的材料力学知识。

4 模型构建

构建长30 m、高8 m、宽6 m 的模型,其中,基坑依托实际工程,首层掘进开挖2 m 深,开挖宽2 m、长12 m,如图1（a）、（b）所示,在基坑开挖深度为2 m 的情况下,构建水平方向上工程实际中计划采用的钢支撑横向间距为1 m 和1.2 m 的两种基坑支护模型,进行分析计算,基坑开挖深度控制为2 m,基坑宽2 m、长12 m,对于间距为1 m 的横向钢支撑在基坑长度方向上设置12 道,间距为1.2 m 的横向钢支撑在基坑长度方向上设置10 道,材料性质如表1 所示。边界条件设置为：Z=0 处,固定X、Y、Z 三个方向速度；X=0、6 处,固定X 方向速度,Y=0、30 处,固定Y 方向速度。

图1 不同间距横向钢支撑基坑支护模型

表1 材料物理力学参数

5 计算结果

本节通过比较两种不同间距横向钢支撑支护条件下,影响基坑稳定性的关键参数指标,得出随着水平方向上,横向钢支撑间距的加大,钢支撑轴力、弯矩的变化特点,基坑底板的位移大小变化特征。

（1）钢支撑横向间距为1 m 时

开挖深度为2 m 条件下,钢支撑横向间距为1 m 时,通过平衡计算,得到的钢支撑弯矩大小云图,如图2（a）中所示。最大弯矩为1.32 e-2N·m,存在最大弯矩的钢支撑分布在基坑长度方向的1/2 至1/4 处。由图2（b）所示钢支撑轴力云图可知,间距1 m 时,钢支撑承受最大轴力为1050 N,且最大轴力的钢支撑分布于基坑长度方向上的1/2 和1/4 处,这与最大弯矩的钢支撑分布范围吻合,且最大轴力和最大弯矩的分布特点和材料力学中的理论解相一致,由此可知,计算结果正确。当开挖深度为2 m,钢支撑横向间距为1 m 时,基坑宽度方向上最大位移发生处位于宽度方向上的1/2 处,最大上拱位移值为6.4 e-3 m,如图2（c）中所示。模型z 方向的应力云图如图2 中（d）所示,可见,在边界上基坑开挖并未对边界上的应力构成影响,说明作者所构建模型是合理的,前述分析是可靠的。（2）钢支撑横向间距为1.2 m 时

图2 钢支撑横向间距为1m 时的数值模拟结果

开挖深度为2 m 条件下,钢支撑横向间距为1.2 m 时,通过平衡计算,得到的钢支撑弯矩大小云图,如图3（a）中所示。最大弯矩为1.7 e-2 N·m,相比钢支撑间距为1 m时,弯矩增大,存在最大弯矩的钢支撑分布在基坑长度方向的1/2 至1/4 处,这与钢支撑间距为1 m 时情况一致。由图3（b）所示钢支撑轴力云图可知,间距1.2 m 时,钢支撑承受最大轴力为1240 N,相比钢支撑间距为1 m 时,轴力增大,且最大轴力的钢支撑分布于基坑长度方向上的1/2 和1/4 处,这与最大弯矩的钢支撑分布范围吻合,且最大轴力和最大弯矩的分布特点和材料力学中的理论解相一致。钢支撑横向间距为1.2 m 时,基坑宽度方向上最大位移发生处位于宽度方向上的1/2 处,最大值上拱位移值约为6.4 e-3 m,如图3（c）中所示,这与间距为1 m 时情况几乎相同,这主要是钢支撑分布于基坑顶面,间距减小对底面变形构不成太大影响的缘故。模型z 方向的应力云图如图3 中（d）所示,可见,在边界上基坑开挖并未对边界上的应力构成影响。

图3 钢支撑横向间距为1.2 m 时的数值模拟结果

6 结论

通过不同横向钢支撑间距时,影响基坑稳定的各关键参数,主要得出以下结论：

（1）随着横向钢支撑间距的加大,钢支撑所承受的轴力和弯矩都随之增大；基坑侧壁变形较大处集中于长度方向上的1/4 至3/4 处,施工过程中应加强监测。

（2）在基坑周围应尽量避免重物堆载,尤其在位于基坑边长靠中间部位,该处易发生堆载失稳,威胁基坑施工安全,通过缩小横向钢支撑的间距,能够减小单道横向钢支撑的轴力,提高安全系数。

（3）本文结论为该类土层基坑开挖施工支护技术的改进提供了参考,为工程实际中采用该方法对基坑首层开挖进行加强支护提供了可靠验证。