張孟穎, 吳東偉, 孫云儒, 朱家勝, 吳 健

(1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司， 江蘇 揚州 225127； 2.河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098； 3.浦口區(qū)水務局， 江蘇 南京 211899)

隨著城鎮(zhèn)化進程的發(fā)展及城市建設需求的加大，我國的地下交通發(fā)展迅速，產(chǎn)生了大量深基坑工程。深、大基礎建造過程中，地基土工程行為已不再是單調(diào)加載過程，更多地包含了卸荷回彈及加載再壓縮等力學過程，應力路徑趨于復雜。近代土力學研究已表明，地基土的力學行為不僅取決于土體最初和最終的應力狀態(tài)，而且與其應力歷史和應力路徑有關[1]。鑒此，本文基于工程開挖、回填工序，同時考慮基坑支護結構、隧道主體結構及初設地應力等因素，利用有限元計算軟件，建立了有限元計算模型，分析了基坑開挖及堤防恢復的變形特性，以期為堤防沉降變形計算提供理論支撐。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

太湖隧道為蘇錫常南部高速公路穿越太湖梅梁湖的主要工程，同時也是江蘇省“五縱九橫五聯(lián)”高速公路網(wǎng)中“橫六”的重要組成。隧道與蘇、錫、常3個市的高速公路環(huán)線直接溝通，實現(xiàn)3個市繞城高速間交通流的自由轉換，隧道全長10.8 km，分別在太湖馬山和南泉處穿越太湖大堤，堤防級別均為2級。太湖隧道進口馬山段堤防頂高程為6.30 m(吳淞高程，下同)，上設70 cm高防浪墻，堤頂為等級公路。出口南泉段堤防頂高程為7.00 m，頂寬5～6 m。隧道采用明挖破堤施工，隧道基坑采用鉆孔灌注樁結合三道水平支撐體系的圍護方案，三道水平支撐均采用鋼管支撐[2]。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘測報告，自上而下可分為6個工程地質(zhì)層。部分主要土層工程特性簡介如下：

2-1(Q3)(粉質(zhì))黏土：灰黃色，可塑～硬塑狀態(tài)，中偏低～低壓縮性，夾鐵錳結核，土質(zhì)較好，全線連續(xù)穩(wěn)定分布。

2-2(Q3)粉質(zhì)黏土：灰黃色，灰色，軟塑～可塑狀態(tài)，中等壓縮性，夾粉砂，斷續(xù)分布。

2-3(Q3)粉土或粉砂：灰黃色，灰色，濕(飽和)，稍密～中密狀態(tài)，局部為粉質(zhì)黏土夾粉砂，沿線局部分布。

2-4(Q3)粉質(zhì)黏土：黃灰色，灰色，軟塑狀態(tài)，局部流塑狀態(tài)，中等偏高壓縮性，夾粉砂，斷續(xù)分布。

3-1(Q3)(粉質(zhì))黏土：灰黃色，灰色，可塑～硬塑狀態(tài)，中偏低～低壓縮性，夾鐵錳結核，土質(zhì)良好，全線連續(xù)穩(wěn)定分布。

3-2(Q3)粉質(zhì)黏土：灰黃色，灰色，軟塑～可塑狀態(tài)，中等壓縮性，夾粉砂，斷續(xù)分布。

3-3(Q3)粉土，部分為粉砂：灰黃色，灰色，濕(飽和)，中密～密實狀態(tài)，局部分布。

4-1(Q3)(粉質(zhì))黏土：黃灰色，灰黃色，青灰色，可塑～硬塑狀態(tài)，中等～低壓縮性，夾鐵錳結核，局部夾鈣質(zhì)，土質(zhì)良好，全線斷續(xù)分布。

2 有限元模型的建立

2.1 本構模型及土體參數(shù)的選取

有限元數(shù)值模擬計算成果能否反映工程實際，并運用到工程設計中指導工程實踐，往往取決于是否采用了合理的本構模型及正確的材料參數(shù)。根據(jù)以往研究成果顯示，彈性模型無法反映土體的塑性性質(zhì)，而塑性模型中MC模型和DP模型由于采用單一剛度導致坑底回彈較大[3]。以上幾種模型都不能很好地模擬基坑開挖、回填后變形，不適合用于本工程模擬計算。因此，本文采用可區(qū)分加卸載并能同時考慮軟黏土應變硬化特征，且其剛度依賴于應力歷史和應力路徑的修正劍橋模型[4]，該模型可給出較合理的“卸載—再壓縮”土體變形情況。模型中土體及圍護結構均采用四邊形四節(jié)點平面應變單元CPE4，各層支撐模擬按線彈性材料考慮采用梁單元B21。各土層計算模型材料參數(shù)[5]詳見表1。

2.2 計算模型及土性參數(shù)的選取

隧道基坑大體呈矩形，屬于三維空間問題，尤其是角點附近的空間效應特別明顯，但對標準段來講，當工程的長寬比大于4時，在標準段中部剖面上二維和三維有限元分析的變形情況基本一致[6]?？紤]到采用二維有限元計算模型單元與節(jié)點相對較少，且分析相對簡單。為便于處理、節(jié)省計算時間，本文采用二維有限元分析。根據(jù)以往建模經(jīng)驗，本次模型深度取120m，上部取至堤頂面高程，下部取至3-1層土，計算深度超過基坑開挖深度的4倍；兩邊邊界取至支護樁外80m，超過基坑開挖深度的3倍。在計算模型左右兩側邊界施加水平方向位移約束，底面邊界施加水平和豎直方向位移約束。為獲得更好的計算精度，不同區(qū)域網(wǎng)格劃分疏密有別，總體以靠近圍護樁網(wǎng)格較密、遠離圍護樁方向網(wǎng)格逐漸稀疏為原則[4]。有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 有限元模型及網(wǎng)格劃分

3 有限元分析過程

3.1 支護結構模型建立

隧道基坑支護采用排樁結構，排樁支護雖由單個樁體組成，但其受力形式類似于地下連續(xù)墻，因此在計算中將排樁墻通過等剛度轉換，等價為一定厚度的連續(xù)式板樁墻進行分析計算。并可證明，按此等價的地下連續(xù)墻計算的結果合理、偏于安全[7]。則等剛度轉換按式(1)計算，計算簡圖見圖2。

(1)

式中：d為等價的地連墻厚度；R為樁的樁徑；a為樁間凈距，則單個樁應等價為長R+a的地連墻。

經(jīng)計算，排樁可等剛度換算為厚0.90 m的連續(xù)式板樁墻，樁長按原排樁支護結構取用，即27.5 m，用于分析計算。

表1 各土層計算模型材料參數(shù)

圖2 排樁墻與連續(xù)板樁墻等剛度換算示意圖

3.2 施工工序模擬

根據(jù)工程的實際施工工序，本次施工過程共分2層開挖、2層回填。通過單元的“生死功能”來實現(xiàn)土體的開挖、回填及支護結構和隧道結構的施加[8]。施工過程的具體分析步驟如下：

步驟1：初始地應力的平衡。建立整個場地土體支護結構(支護結構、撐梁)及隧道結構的有限元模型，“殺死”除原始土體之外的所有單元，并施加重力，以平衡土體的初始地應力場；

步驟2：“殺死”第一層土體，以模擬大堤土體開挖；

步驟3：挖除支護內(nèi)土體，并“激活”撐梁和支護單元，以模擬支護施加；

步驟4：“激活”隧道結構單元，以模擬隧道結構施工；

步驟5：“激活”隧道上部土體單元，以模擬隧道上部土體回填。

4 基坑開挖及堤防恢復變形性狀分析

4.1 開挖面土體隆起

圖3～5分別為太湖大堤堤身開挖后豎向位移分布圖、隧道基坑開挖支護后豎向位移分布圖及隧道工程完工后豎向位移分布圖。由圖可知：(1)堤身開挖后基底最大隆起位于基坑中心位置，為9 cm?；灼骄∑鸶叨葹?.3 cm；(2)隧道基坑開挖支護后，基底最大隆起位于基坑中心位置，為18.6 cm?；灼骄∑鸶叨葹?6.6 cm；(3)隧道工程完工后，基底最大隆起位于基坑中心位置，為2.8 cm?；灼骄∑鸶叨葹?.4 cm；(4)基坑開挖面隆起高度隨著開挖深度的增加不斷增大，最大回填達到18.6 cm。且在隧道完工后，由于受到荷載作用，基底隆起高度相應減小。

圖3 堤防開挖豎向位移云圖

圖4 基坑開挖豎向位移云圖

圖5 隧道完工后豎向位移云圖

圖6 堤防恢復豎向位移云圖

圖7 恢復段堤頂豎向位移曲線

4.2 恢復段堤防沉降變形

圖6為堤防恢復后豎向位移分布圖，圖7為恢復段堤頂豎向位移曲線圖。由圖7可以看到堤防恢復后，堤頂最大沉降位于恢復段堤防中心位置，為15.8 cm?；謴投蔚添斊骄两禐?2.1 cm，小于堤身高度的3%。

4.3 有限元分析與規(guī)范計算堤防變形對比

根據(jù)GB50286—2013，堤防沉降計算采用分層總合法[9]，計算公式如下:

(2)

式中：S為最終沉降量；n為壓縮層范圍的土層數(shù)；e1i為第i土層在平均自重應力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應力和平均附加應力共同作用下的孔隙比作用下的孔隙比；hi為第i土層的厚度；m為修正系數(shù)，可取1.0，軟土地基可采用1.3～1.6。

經(jīng)計算，恢復段堤防沉降量為15.2 cm。本次堤防恢復后，恢復段堤頂共布置了4處沉降位移觀測點，累計沉降量分別為7.9 cm、5.4 cm、8.2 cm及5.8 cm，恢復段堤防累計沉降平均值為6.83 cm。見表2。

表2 恢復段堤防沉降值對比

通過對比可以看出，考慮應力路徑的有限元分析計算的沉降值較規(guī)范采用的分層總合法計算的沉降值，與實際沉降值更接近、更符合實際情況。

5 結 語

本文基于恢復段堤防施工工序，采用修正劍橋模型(MCC)對工程建立了有限元計算模型。通過模擬計算，得到基坑開挖面及恢復堤防土體變形形態(tài)，變形結果基本符合施工變形規(guī)律。重點對比了有限元法數(shù)值模擬與分層總合法計算成果，考慮施工過程的有限元法計算值與實測值較為接近。對于施工過程較為復雜的重要基坑，建議采用有限元數(shù)值模擬法計算更為準確。