徐 建，魏 鵬，寧 宇，黃青富，劉易鑫

(1.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.鹽城市大豐區(qū)三龍水利管理服務(wù)站，江蘇 鹽城 224161；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

隨著地下空間建設(shè)的不斷發(fā)展，基坑工程呈現(xiàn)出規(guī)模不斷擴大、深度不斷增加的發(fā)展趨勢，確保基坑施工及運行期的安全穩(wěn)定成為深基坑工程的首要任務(wù)。軟土具有含水率高、孔隙比大、滲透性弱等特征[1]，在軟土地區(qū)開挖基坑，基坑的穩(wěn)定性受軟土力學(xué)特性、土與結(jié)構(gòu)的相互作用、地下水位等因素影響顯著，開挖過程中基坑的變形具有明顯的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)。因此，對于軟土地區(qū)基坑施工過程及其運行期的安全穩(wěn)定進行設(shè)計評估具有重要的工程意義。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對軟土地區(qū)基坑開挖穩(wěn)定進行了大量的研究。劉繼武等[2]利用FLAC3D軟件對深基坑的開挖支護進行數(shù)值模擬，通過接觸單元模擬土體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系，分析基坑開挖后的變形穩(wěn)定；徐凌等[3]針對內(nèi)撐式排樁深基坑支護開挖過程中地表及維護結(jié)構(gòu)的安全性問題進行研究，確定了合理的數(shù)值模擬方法，較好地模擬了不同工況下的地表沉降和圍護結(jié)構(gòu)的水平位移；鄭磊[4]考慮膨脹力影響，對膨脹土地區(qū)深基坑支護結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計；周一波等[5]針對紅黏土地區(qū)深基坑在人為誘導(dǎo)作用下的沉降變形問題進行的研究表明，基坑開挖導(dǎo)致周圍土體的應(yīng)力釋放，坑底土體隆起致使周邊土體進一步向坑內(nèi)發(fā)生滑移損傷；曹力橋[6]考慮工程降水的影響，分析坑底隆起變形及其影響因素，得出工程降水對深基坑土體有壓密作用、基坑出現(xiàn)塑性隆起以及降水對基坑穩(wěn)定有利的結(jié)論；劉傳林[7]進行了固結(jié)排水剪切試驗。采用HSS本構(gòu)模型對雙側(cè)基坑分區(qū)開挖過程隧道變形進行數(shù)值模擬；馬雪妍等[8]通過有限元模擬計算了多種工況下圍護變形情況，通過工況間對比并與設(shè)計報警值對比后得出最優(yōu)工況；鈕佳偉等[9]采用ABAQUS軟件建模，研究多項因素對坑底回彈變形的影響規(guī)律；沈華駿等[10]整理了某工程基坑開挖施工期間地表沉降監(jiān)測斷面及圍護結(jié)構(gòu)測斜監(jiān)測點數(shù)據(jù)，分析了基坑圍護結(jié)構(gòu)與地表沉降變形規(guī)律；周書東等[11]基于變形原因、破壞形式、控制要點提出了軟土基坑變形的控制措施；李錦等[12]以上海地區(qū)某鄰近既有鐵路的深基坑工程為例，對深基坑開挖對既有鐵路的影響進行了研究；朱亞睿等[13]采用地質(zhì)雷達法進行探測，分析提出了針對基坑局部變形問題的應(yīng)急處理措施；劉雷等[14]通過Plaxis 2D有限元模擬計算分析，研究探討了基坑施工技術(shù)的安全性；喬世范等[15]對厚軟土地層采用地連墻加內(nèi)支撐作為圍護體系的狹長深基坑進行了實測分析。

以上大多學(xué)者對于基坑工程的數(shù)值模擬主要集中于施工期基坑開挖過程中的變形穩(wěn)定，而對于基坑開挖完成后，各結(jié)構(gòu)在運行期不同工況下的模擬研究較少。為此，本文基于某提水泵站基坑工程，對基坑開挖完成后，泵站混凝土結(jié)構(gòu)在運行期不同工況下(進水池低水位和高水位)的受力情況進行數(shù)值模擬，選取各結(jié)構(gòu)部分(泵底板、進水池、吊車梁、各墻體)的典型斷面，基于各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形情況，確定泵站結(jié)構(gòu)合理的配筋方案，給出泵房大體積混凝土結(jié)構(gòu)的配筋量，并列出了建議配筋結(jié)果，可供泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計參考。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模

某提水泵站位于河流左岸階地平臺，地形坡度1°～3°左右，場地地面相對平整，采用全地下式泵站設(shè)計，埋入地面以下2 m。泵站為3級建筑物。泵站主泵房尺寸為55 m×27.5 m×15 m(長×寬×高)。電氣副廠房布置于主泵房東南側(cè)，與主泵房置于同一基坑內(nèi)，尺寸為36.07 m×22.48 m×9.5 m(長×寬×高)。提水泵站縱剖面布置及平面布置分別見圖1、2。

圖1 提水泵站剖面布置

圖2 提水泵站平面布置

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘測資料，提水泵站位置屬沖洪積準(zhǔn)平原地貌，主要出露地層為第四系土層，地基土層主要為雜填土(厚度1.2 m、高程1 910.3～1 911.5 m)、黏土(厚度3.0 m、高程1 907.3～1 910.3 m)、有機質(zhì)土(厚度1.0 m、高程1 906.3～1 907.3 m)、圓礫(厚度1.0 m、高程1 886.5～1 906.3 m)。泵站表層雜填土結(jié)構(gòu)松散，承載力70～90 kPa；下部黏土和有機質(zhì)土均屬中壓縮性土，承載力較低，分別為110～130、70～100 kPa；底部圓礫，飽和，以中密～密實為主，厚度較大，連續(xù)性較好。泵站與泵房進水池基礎(chǔ)主要置于圓礫層中，且厚度較大，連續(xù)性較好，在局部夾雜有粉質(zhì)黏土，其力學(xué)強度指標(biāo)小。該層具有一定的承載力(承載力特征值300～350 kPa)，但不能滿足承載力需求。各地層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各地層主要物理力學(xué)參數(shù)

1.3 基坑支護方案

提水泵站基坑支護采用0.8 m厚的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻內(nèi)部共設(shè)置3道水平支撐。該基坑工程支護方案主要參數(shù)：地下連續(xù)墻墻厚0.8 m，主泵房范圍內(nèi)深18 m，電氣副廠房范圍內(nèi)深12 m，采用C35混凝土；冠梁截面尺寸為2.3 m×1.5 m，采用C35鋼筋混凝土；第1道支撐截面尺寸為1 800 mm×1 000 mm(主泵房部分)及1 500 mm×800 mm(電氣副廠房部分)，采用C50鋼筋混凝土，為“永臨結(jié)合”的正交井字梁；第2、3道均采用支撐采用直徑609 mm、壁厚16 mm的鋼支撐；混凝土灌注樁直徑為800 mm。

2 計算模型

2.1 模型網(wǎng)格

根據(jù)泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計方案建立提水泵站基坑的三維模型，三維模型四周邊界距基坑周邊均大于3倍基坑深度，模型尺寸為180 m×120 m×70 m(長×寬×高)，將基坑工程對周邊巖土體的主要影響區(qū)、次要影響區(qū)及可能影響區(qū)均包括在內(nèi)。

模型網(wǎng)格均采用八結(jié)點單元，共剖分為205 434個節(jié)點，189 911個單元，其中泵房結(jié)構(gòu)模型共20 122個節(jié)點，12 725個單元。坐標(biāo)系選用笛卡爾坐標(biāo)系，整體直角坐標(biāo)系Oxyz。模型位移邊界條件：模型底部固定x、y、z方向位移，側(cè)面固定法向位移，頂部為自由面。計算模型見圖3。

圖3 計算模型

2.2 計算方案

考慮到該泵房位于地下，地下水位較高，在基坑開挖過程中及開挖后泵房的穩(wěn)定性受地下水的影響較大，因此應(yīng)同時考慮滲流場與應(yīng)力場的復(fù)合作用以及各結(jié)構(gòu)間的相互影響，以便對泵房結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形進行更加準(zhǔn)確的模擬研究。

該泵站進水池設(shè)計最低水位為1 904.5 m，設(shè)計水位同最高水位一致，為1 908.7 m。地下水位1 907.0 m。各工況水位組合見表2。主要包括施工完建期、進水池最低水位運行期和進水池最高水位運行期。

表2 計算工況

3 計算結(jié)果

3.1 泵房應(yīng)力

通過數(shù)值計算后，施工完建期、最低水位運行期、最高水位運行期3種工況下的廠房應(yīng)力水平計算結(jié)果見圖4。從圖4可知，完建期時，泵站內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要承受水泵、電動機、起重機等設(shè)備的自重、外水壓力和側(cè)向土壓力，此時最大壓應(yīng)力為-8.87 MPa，最大拉應(yīng)力為1.39 MPa。當(dāng)進水池水位處于最低水位時，內(nèi)外水壓力共同作用于泵房，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置為微透水，主廠房最大壓應(yīng)力為-8.81 MPa，最大拉應(yīng)力為1.22 MPa，可以看出，進水池低水位狀態(tài)下，泵房混凝土結(jié)構(gòu)中壓應(yīng)力與拉應(yīng)力均有所下降，其中拉應(yīng)力降幅更大。當(dāng)進水池水位處于最高水位，即設(shè)計水位時，此時內(nèi)部水位高于地下水位，主廠房最大壓應(yīng)力為-8.80 MPa，最大拉應(yīng)力為1.41 MPa，較完建期出現(xiàn)微小漲幅。

圖4 泵站廠房最小主應(yīng)力云圖

可以看出，泵房主體結(jié)構(gòu)在不同工況下的最大壓應(yīng)力只出現(xiàn)了微小浮動，最大拉應(yīng)力在最高水位運行期時達到最大，但未超過混凝土抗拉強度。

3.2 泵房位移

圖5～7給出了3種工況下泵房整體水平位移云圖(x向代表垂直于進水池長邊方向，為順?biāo)鞣较颍粂向代表平行于進水池長邊方向，為垂直于水流方向)。從圖5～7可知，泵房整體有沿x軸負(fù)向運動的趨勢，由于主廠房較副廠房深，故主廠房位移大于副廠房位移。主廠房最大順?biāo)飨蛭灰瓢l(fā)生在設(shè)計水位運行時的中墻近進水池側(cè)，為0.33 mm；在深度方向，位移云圖有明顯的分層現(xiàn)象，垂直位移隨深度增加而減小，其原因在于在滲流作用下產(chǎn)生的自上而下的頂托力。副廠房的垂直水流方向位移均為正值，泵房整體呈由中間向兩端運動的趨勢，最大垂直水流向位移均發(fā)生在泵底板遠副廠房端，設(shè)計(最高)水位運行時位移達到最大，為0.42 mm。

圖6 最低水位運行期泵房整體水平位移云圖

圖7 最高水位運行期泵房整體水平位移云圖

在3種工況下，泵房整體的位移值較小，順?biāo)飨蛭灰戚^垂直水流向位移變化大，水平位移值由地連墻處向四周逐漸減小，即離地連墻越近，滲流引起的順?biāo)飨蛭灰圃酱蟆?/p>

4 典型斷面應(yīng)力分析及配筋計算

4.1 典型斷面

選取泵站主體結(jié)構(gòu)的典型斷面(泵基礎(chǔ)底板、進水池底板及主廠房中墻)，對其應(yīng)力狀態(tài)進行分析，確定合理的配筋方案。

(1)泵基礎(chǔ)底板。完建期將起重機、水泵、電動機等機電設(shè)備安裝完成后，泵基礎(chǔ)底板及兩端側(cè)墻的應(yīng)力情況發(fā)生變化，同時相鄰機組自重產(chǎn)生的彎矩也影響基礎(chǔ)底板應(yīng)力狀態(tài)。與施工期相比，泵基礎(chǔ)底板的拉應(yīng)力數(shù)值有所減緩。圖8為泵基礎(chǔ)底板最小主應(yīng)力云圖。從圖8可知，在運行期，基礎(chǔ)底板的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于近副廠房端的底板頂面，約為0.08 MPa，未超出混凝土抗拉強度1.5 MPa。隨著進水池水位的增加，泵房底板的壓應(yīng)力也隨之有所增加，最大壓應(yīng)力為-0.81 MPa，未超出混凝土抗壓強度15.0 MPa。

圖8 泵基礎(chǔ)底板最小主應(yīng)力云圖

(2)進水池底板。運行期底板主要承受內(nèi)外水壓力，完建期拉應(yīng)力最大值為0.08 MPa。圖9為進水池底板最小主應(yīng)力云圖。從圖9可以看出，與完建期相比，由于運行期時進水池內(nèi)充水，壓應(yīng)力有所減緩，拉應(yīng)力區(qū)消失。壓應(yīng)力在底板與側(cè)墻連接的端部數(shù)值較大，最大值為-0.42 MPa。

圖9 進水池底板最小主應(yīng)力云圖

(3)中墻。中墻受力情況較為復(fù)雜，最高水位運行時近進水池側(cè)出現(xiàn)條狀拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力最大值約為0.20 MPa。由于底板與吊車梁上方載荷的共同作用，中墻與底板連接處端部產(chǎn)生彎矩，在遠進水池側(cè)與底板的連接邊出現(xiàn)條狀壓應(yīng)力區(qū)，最大值出現(xiàn)于最低水位運行期，位于中墻下側(cè)中部，為-0.97 MPa。圖10為主廠房中墻最小主應(yīng)力云圖。

圖10 中墻最小主應(yīng)力云圖

4.2 配筋計算

對于泵房結(jié)構(gòu)，可以將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成內(nèi)力，按截面破壞內(nèi)力計算鋼筋用量，按偏心受力構(gòu)件計算。由截面應(yīng)力轉(zhuǎn)換得到內(nèi)力N，得到軸向內(nèi)力距離鋼筋截面的合力作用點的偏心距e。查閱規(guī)范得到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)系數(shù)γd為2.0。構(gòu)件穩(wěn)定平衡時截面應(yīng)滿足如下條件

(1)

(2)

式中，h為截面高度；as為保護層厚度。根據(jù)上述配筋原理計算的泵房典型斷面配筋結(jié)果見表3。

表3 泵房典型斷面配筋表

5 結(jié) 語

本文通過數(shù)值模擬方法，對基坑開挖后圍護結(jié)構(gòu)的變形穩(wěn)定及運行期不同工況下(進水池低水位和高水位)泵站混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形進行分析，結(jié)果表明，廠房結(jié)構(gòu)在不同工況下的最小主應(yīng)力和位移在數(shù)值上都只出現(xiàn)微小浮動，最大拉應(yīng)力在最高水位運行期時達到最大。選取泵站結(jié)構(gòu)的典型斷面，并基于其應(yīng)力變形情況給出合理的配筋方案。