陳秀軍
(河北海創(chuàng)巖土工程有限公司,河北唐山063500)
目前我國深基坑工程也就越來越多,在當(dāng)前的基坑工程中,由于各場地地形條件、工程地質(zhì)條件、施工技術(shù)等越來越復(fù)雜,故建立盡量接近現(xiàn)場實(shí)際的計(jì)算模型是基坑分析的首要任務(wù)。本文以土的硬化模型為基礎(chǔ),通過有限元軟件MADIS/GTS對唐山市漢沽開發(fā)區(qū)某項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬分析,并且來探討基坑開挖施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、受力等的變化規(guī)律,為變形控制設(shè)計(jì)與工程監(jiān)測提供依據(jù)。
硬化土模型由于具有可考慮土體壓縮性、可模擬土體應(yīng)力增量隨應(yīng)變逐漸減小的硬化現(xiàn)象、能更好反映土體卸荷時(shí)的應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系、能考慮土體的剪脹性及中性加載、采用MC破壞準(zhǔn)則、模型主要參數(shù)可通過常規(guī)三軸試驗(yàn)及固結(jié)實(shí)驗(yàn)獲取等優(yōu)點(diǎn),而在基坑開挖支護(hù)數(shù)值分析中得到較廣泛推廣應(yīng)用。[1]
由于塑性應(yīng)變的影響,土的硬化模型屈服面在主應(yīng)力空間中不是固定而是膨脹的,其包含剪切硬化和壓縮硬化2種主要硬化類型,并能模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型的土體變形行為。硬化模型構(gòu)造是以三軸加載下豎向應(yīng)變和偏應(yīng)力q之間的雙曲線關(guān)系為基礎(chǔ),并做了3個(gè)方面的改進(jìn):①使用塑性理論;②考慮了土體的剪脹性;③引入了一個(gè)屈服帽蓋。由硬化土模型基本原理,硬化土模型包括強(qiáng)度參數(shù)、剛度參數(shù)和高級參數(shù)3大類11個(gè)參數(shù),分別為土體的內(nèi)摩擦角φ,黏聚力c,剪脹角ψ,土體破壞比Rf,土體參考應(yīng)力Pref,土體固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn)的參考割線剛度模量土體固結(jié)試驗(yàn)參考切線模量、土體卸載再加載試驗(yàn)參考模量、土體模量應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m、土體卸載再加載泊松比Vur、土體正常固結(jié)時(shí)的側(cè)壓力系數(shù)K0。其中內(nèi)摩擦角φ,黏聚力c,剪脹角ψ均可根據(jù)三軸固結(jié)排水或三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)確定,也可根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定。需根據(jù)圍壓100 kPa時(shí)循環(huán)加載試驗(yàn)的q-ζ曲線確定,應(yīng)根據(jù)圍壓100 kPa時(shí)的固結(jié)試驗(yàn)曲線σ1-ζ1確定。Vur為卸載再加載泊松比(一般可取0.2左右)。
基坑位于唐山市漢沽開發(fā)區(qū),基坑深度5m,基坑周邊環(huán)境條件簡單,主要為施工道路,基坑采用單排樁加坑內(nèi)留土放坡的支護(hù)方式,樁長12m,樁徑600mm,間距1.5m?;影踩燃壢墶?/p>
支護(hù)方案簡圖
擬建場地地基土的主要特征如下:
第3層灰黑色粉土,擬建場地遍布,層底標(biāo)高約為-12.42~-18.29m,層厚一般為 0.70~2.90m;含有機(jī)質(zhì),含云母,含粉砂顆粒,土質(zhì)不均,搖振有反應(yīng)。雙橋靜探qc平均值為4.01MPa,標(biāo)貫擊數(shù)平均值為N=10.4擊,呈稍密~中密狀態(tài),壓縮性中等。
第4層褐灰色粉質(zhì)黏土,擬建場地遍布,層底標(biāo)高約為-13.42~-17.06m,層厚一般為 0.9~3.7m;含有機(jī)質(zhì),夾粉砂顆粒,土質(zhì)較均勻,雙橋靜探qc平均值為1.11MPa,標(biāo)貫擊數(shù)平均值為N=5.4擊,呈可塑狀態(tài),壓縮性中等。
場地土層參數(shù)見表1:
采用大型有限元軟件MADIS/GTS對本工程進(jìn)行模擬分析,支護(hù)結(jié)構(gòu)型式見支護(hù)方案簡圖,空間的作用對模型的影響不是太大,同時(shí)為了減少運(yùn)算時(shí)間和建模時(shí)間,故采用2維的平面模型對基坑開挖進(jìn)行模擬,采用軸對稱模型,模型尺寸定為30m×40m。巖土材料的本構(gòu)模型均選取硬化土模型,對于排樁則選取為線彈性模型。模型如圖2所示。
表1 地層參數(shù)表
圖2 有限元模型圖
通過模擬分析,得出了基坑水平位移、基坑垂直位移、排樁彎矩計(jì)算結(jié)果,基坑水平位移最大值出現(xiàn)在排樁底部以內(nèi),最大值12mm,垂直位移最大值出現(xiàn)在基坑底部隆起,最大值64mm,變形模式符合圓弧滑動原理。排樁最大彎矩出現(xiàn)在排樁中部,彎矩值89kN·m,根據(jù)此數(shù)值可進(jìn)行排樁配筋設(shè)計(jì)。
圖3 基坑水平位移圖
圖4 基坑垂直位移圖
圖5 排樁彎矩圖
本文應(yīng)用硬化土模型對軟土地基的基坑進(jìn)行了有限元模擬,主要的工作和成果如下所示:
①對軟土地基基坑進(jìn)行了有限元模擬,得出排樁內(nèi)留土放坡的變形、受力規(guī)律。
②硬化土模型模擬的基坑變形基本符合圓弧滑動原理,但基坑底部隆起值偏大,需繼續(xù)研究。
③為排樁內(nèi)放坡留土計(jì)算模型提供了數(shù)據(jù)參考。