張 建 肖景平

(珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000)

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特大圓形錨碇基坑結(jié)構(gòu)效應(yīng)模擬及實(shí)測(cè)對(duì)比分析

張 建 肖景平

(珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 珠海 519000)

根據(jù)某橋梁特大圓形錨碇基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了有限元分析模型，對(duì)比了該圓形錨碇基坑的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，結(jié)果表明：支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移沿深度方向呈明顯的“大肚”形；環(huán)形內(nèi)襯支護(hù)體系對(duì)基坑變形有較好的“自控制”；圓結(jié)構(gòu)促使部分徑向荷載轉(zhuǎn)化為環(huán)向荷載，環(huán)向結(jié)構(gòu)應(yīng)力均遠(yuǎn)大于徑向結(jié)構(gòu)應(yīng)力，圓形基坑“結(jié)構(gòu)拱效應(yīng)”作用明顯。

圓形基坑，拱效應(yīng)，水平位移，應(yīng)力

地下連續(xù)墻廣泛用于大樓地下室、地鐵車(chē)站、隧道豎井、大型橋梁等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物的建造，已先后應(yīng)用于多座特大橋的錨碇深基礎(chǔ)施工。其中，采用矩形平面形式的潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋北錨碇最大變形高達(dá)135 mm，而采用圓形平面形式的陽(yáng)邏大橋南錨碇最大變形控制在30 mm內(nèi)，黃埔大橋北錨碇則將變形控制在10 mm以?xún)?nèi)，足見(jiàn)地下連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)形式由剛度較弱的矩形結(jié)構(gòu)，逐漸轉(zhuǎn)化成剛度較強(qiáng)的圓形結(jié)構(gòu)[1,2]。

為此，本文結(jié)合某橋梁特大圓形錨碇基坑實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，輔以有限元軟件，詳細(xì)分析數(shù)據(jù)規(guī)律，探討圓形地連墻結(jié)構(gòu)因開(kāi)挖引起的受力變形特性，以期為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

某橋梁位于廣東省珠江三角洲地區(qū)，主跨約為1.7 km，東錨碇基礎(chǔ)采用圓外徑為90 m的地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，壁厚1.5 m，開(kāi)挖深度約為29 m，錨碇基礎(chǔ)底部嵌入中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層。

該錨碇區(qū)域覆蓋層主要由第四系全新統(tǒng)海陸交互相粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、砂土和第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂土、砂礫組成，厚度約27.10 m～28.70 m，基底由白堊系白鶴洞(K1b)泥質(zhì)粉砂巖、中砂巖組成，基巖存在風(fēng)化不均勻、風(fēng)化夾層現(xiàn)象；穩(wěn)定連續(xù)中～微風(fēng)化巖埋深約27.10 m～34.60 m，巖面起伏大，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度在11.6 MPa；微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度在18.29 MPa～35.86 MPa，平均24.28 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為20.4 MPa，中風(fēng)化中砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度在5.33 MPa～13.27 MPa，平均8.64 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為7.3 MPa，屬極軟～較軟巖。

表1 各層土的性質(zhì)參數(shù)

基坑開(kāi)挖有關(guān)巖土參數(shù)如表1所示，地質(zhì)剖面如圖1所示。

2 有限元建模方案

本文中的土體選用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬。

在模型建立前，需對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行如下幾項(xiàng)基本假定：1)對(duì)于模型中的土體部分，假定其按均勻?qū)訝罘植?，且為各向同性材料，并服從M-C屈服準(zhǔn)則;2)假定土體為無(wú)限域，則只考慮土體的豎向應(yīng)力;3)基坑施工中，土體開(kāi)挖一般工期較短，因此按不排水條件進(jìn)行計(jì)算。

模型尺寸的確定及網(wǎng)格劃分：圓形基坑具有軸對(duì)稱(chēng)性，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，因此取1/4平面進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)前人的研究成果及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，因開(kāi)挖而導(dǎo)致的影響范圍大致可按如下方法確定：墻體兩側(cè)的影響范圍可取3倍～4倍的開(kāi)挖深度；墻體底部的影響范圍可取2倍～4倍的開(kāi)挖深度。針對(duì)本工程的地質(zhì)情況，最終確定模型的大小劃分為長(zhǎng)135 m、高90 m。位移邊界條件的確定如下：左右兩側(cè)限制水平位移及轉(zhuǎn)角，底部限制豎向位移及轉(zhuǎn)角，頂部為自由邊?；悠拭婢W(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置原則:1)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安裝應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定；2)安裝各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之前需對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行分析，挑選最不利位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)；3)無(wú)論是埋入土體中還是在地表處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，均需采取保護(hù)措施；4)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝好后，需對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)提取初始值，便于后期數(shù)據(jù)的處理；5)施工過(guò)程中遇監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法采集，應(yīng)及時(shí)查明原因和補(bǔ)救。

4 結(jié)果分析

4.1 深層水平位移分析

分析圖3～圖5可知：支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移沿深度方向逐漸增大，達(dá)到最大值后又急劇減小，呈明顯的“大肚”形。支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移最大值實(shí)測(cè)約為4 mm，模擬結(jié)果約為5.6 mm，最大位移均處于地表下10 m左右處；同時(shí)，各開(kāi)挖步中支護(hù)結(jié)構(gòu)上部的水平位移增長(zhǎng)較緩，達(dá)到最大值后開(kāi)始急劇減小，最后水平位移幾乎為0，這主要是由于本工程地下連續(xù)墻底端已嵌入巖層，最大程度的限制了其水平位移，這也是嵌巖支護(hù)結(jié)構(gòu)與普通支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大區(qū)別；曲線特性表明，這與一般的深基坑[3,4]變化有所不同。

4.2 環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力分析

圖6，圖7為基坑每層開(kāi)挖后環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力隨深度的變化圖。綜合各圖可以發(fā)現(xiàn)：在深度0 m～-25 m之間，環(huán)向應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向應(yīng)力，這說(shuō)明圓形基坑的“拱效應(yīng)”發(fā)揮了較好的作用，有利于發(fā)揮混凝土材料的抗壓性能，提高基坑的穩(wěn)定性；在深度-25 m～-29 m之間，環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力的大小已較為接近，此段區(qū)域已開(kāi)始進(jìn)入中風(fēng)化巖層；在深度-29 m～-40 m之間，已是中、微風(fēng)化巖層，此時(shí)環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力均由正值變?yōu)樨?fù)值，最后在底部接近于0，這是由于巖石的基床系數(shù)比上部土體的基床系數(shù)大，因此造成底部應(yīng)力與上部應(yīng)力的方向相反；同時(shí)，對(duì)于徑向應(yīng)力，從各圖中可以看出，在深度約為-29 m處均有突變點(diǎn)，這是因?yàn)榇颂帪樯喜枯^為軟弱土層進(jìn)入較為堅(jiān)硬巖層的臨界點(diǎn)，因此導(dǎo)致此處的徑向應(yīng)力突變。

本基坑分10步開(kāi)挖，由于篇幅有限，故選擇有代表性的數(shù)據(jù)圖進(jìn)行分析。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以特大圓形錨碇基坑為研究對(duì)象，在實(shí)際工程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，輔以有限元模擬分析，研究其結(jié)構(gòu)效應(yīng)，得出如下結(jié)論：

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移沿深度方向逐漸增大，達(dá)到最大值后又急劇減小，呈明顯的“大肚”形；

2)基坑開(kāi)挖全過(guò)程，水平位移增長(zhǎng)率先大后小，且存在較大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，支護(hù)體系發(fā)揮良好作用，實(shí)測(cè)最大水平位移約為4 mm，模擬最大水平位移約為5.6 mm，均處于地表下約10 m；

3)結(jié)構(gòu)環(huán)向應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于徑向應(yīng)力，這說(shuō)明圓形基坑的“結(jié)構(gòu)拱效應(yīng)”發(fā)揮較好作用，將部分徑向荷載轉(zhuǎn)化為環(huán)向荷載，使得環(huán)向應(yīng)力大于徑向應(yīng)力，發(fā)揮了混凝土材料的抗壓性能，實(shí)現(xiàn)了基坑穩(wěn)定的“自控制”。

[1] 王 琨，張?zhí)?，陳順?廣州珠江黃埔大橋懸索橋錨碇基坑支護(hù)受力和變形特性分析[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010(7):133-138.

[2] 羅耀武，凌道盛，陳云敏，等.環(huán)形超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性分析[J].巖土力學(xué)，2011(2):617-622.

[3] 葉 強(qiáng)，吳慶令.某深基坑工程的監(jiān)測(cè)分析與變形特性[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010(S2):541-544.

[4] 劉春原，蔡偉紅，趙志斌，等.圓形地下連續(xù)墻的變形分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008(S1):26-30.

Simulation and analysis on the effect offoundation pit structure of super large circular anchor

Zhang Jian Xiao Jingping

(Zhuhai Institute of Urban Planning & Design, Zhuhai 519000, China)

On the basis of the measured data of the foundation pit of a large circular anchor in a bridge, the finite element ananlysis model was established, the structural effect of the circular anchor pit is compared. The results show that the horizontal displacement of the supporting structure along the depth direction showed a “big belly” shape; circular lining supporting system of foundation pit deformation has a good “self control”; circular structure makes the partial radial load into the circumferential ring structure to load, stress are far greater than the radial stress, circular pit the “arch effect” effect.

circular foundation pit, arch effect, horizontal displacement, stress

1009-6825(2017)12-0074-02

2017-02-15

張 建(1983- )，男，碩士，工程師; 肖景平(1990- )，男，碩士

TU463

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