基于非对称荷载作用下的基坑变形特性研究.pdf

安徽科技学院学报,2 0 2 3,3 7(3):1 0 2-1 0 8 J o u r n a l o fA n h u iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yU n i v e r s i t y 收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 6基金项目:国家自然科学基金(5 1 8 7 4 1 1 2);安徽省大学生创新创业训练计划项目(s 2 0 2 1 1 0 3 8 3 1 8 5)。作者简介:赵平(1 9 8 9-),男,安徽宣城人,硕士,讲师,主要从事岩土工程研究。基于非对称荷载作用下的基坑变形特性研究赵 平1,王少航1,程雪芬2(1.铜陵学院 建筑工程学院,安徽 铜陵 2 4 4 0 0 0;2.南京财经大学 工商管理学院,江苏 南京 2 1 0 0 2 3)摘 要:目的:研究非对称荷载作用下的基坑变形特性。方法:采用数值模拟方法与现场监测方法研究非对称荷载作用下的深基坑开挖引起的地连墙水平变形规律,并利用数值模拟方法研究偏压荷载q数值的改变对内支撑轴力及坑外地表沉降的影响。结果:数值计算结果与现场监测数据吻合良好,偏压荷载q的增加不仅会导致增大近超载侧围护结构的受力和变形,还会引起远侧围护结构顶部出现远离基坑的位移;基坑变形特性对偏压荷载q较敏感,随着偏压荷载q不断增加,内支撑轴力和偏压侧地表沉降均有增大的趋势。结论:在偏压基坑工程设计和施工过程中要重视偏压荷载q给基坑开挖带来的不利影响,必要时可采取相关措施减小偏压荷载,进而减小基坑开挖过程的施工风险。关键词:深基坑;地表沉降;地连墙;偏压荷载;轴力中图分类号:T D 3 5 3文献标志码:A文章编号:1 6 7 3-8 7 7 2(2 0 2 3)0 3-0 1 0 2-0 7开放科学(资源服务)标识码(O S I D):D O I:1 0.1 9 6 0 8/j.c n k i.1 6 7 3-8 7 7 2.2 0 2 2.0 0 4 0D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f o u n d a t i o np i tu n d e ra s y mm e t r i c l o a dZ HAOP i n g1,WANGS h a o h a n g1,CHE NGX u e f e n2(1.C o l l e g eo fA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,T o n g l i n gU n i v e r s i t y,T o n g l i n g2 4 4 0 0 0,C h i n a;2.C o l l e g eo fB u s i n e s sA d m i n i s t r a t i o n,N a n j i n gU n i v e r s i t yo fF i n a n c ea n dE c o n o m i c s,N a n j i n g2 1 0 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v e:T os t u d yt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f o u n d a t i o np i tu n d e ra s y mm e t r i c l o a d.M e t h o d s:T h eh o r i z o n t a l d e f o r m a t i o nl a wo f t h ed i a p h r a g m w a l l c a u s e db yt h ee x c a v a t i o no fd e e pf o u n-d a t i o np i tu n d e ra s y mm e t r i c l o a d i ss t u d i e db yu s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o da n df i e l dm o n i t o r i n gm e t h o d,a n dt h e i n f l u e n c eo f t h ec h a n g eo f t h ev a l u eo fe c c e n t r i c l o a dqo nt h ea x i a l f o r c eo f t h e i n n e rs u p p o r ta n dt h es u r f a c es e t t l e m e n to u t s i d e t h ep i t i s s t u d i e db yu s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d.R e-s u l t s:T h en u m e r i c a l r e s u l t sa r e i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e f i e l dm o n i t o r i n gd a t a.T h e i n c r e a s eo fb i a sl o a dqw i l l n o t o n l y i n c r e a s e t h e s t r e s s a n dd e f o r m a t i o no f t h e r e t a i n i n gs t r u c t u r en e a r t h eo v e r l o a ds i d e,b u t a l s oc a u s e t h ed i s p l a c e m e n to f t h et o po f t h er e t a i n i n gs t r u c t u r ef a ra w a yf r o mt h ef o u n d a t i o np i t.T h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ef o u n d a t i o np i ta r es e n s i t i v et ot h ee c c e n t r i c l o a dq.w i t ht h e i n-c r e a s i n go f t h e e c c e n t r i c l o a dq,a n d t h e a x i a l f o r c eo f t h e i n n e r s u p p o r t a n d t h e s u r f a c e s e t t l e m e n t o n t h ee c c e n t r i cs i d eb o t ht e n dt o i n c r e a s e.C o n c l u s i o n:I nt h ep r o c e s so fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f f o u n d a t i o np i tw i t he c c e n t r i cp r e s s u r e,w e s h o u l dp a ya t t e n t i o n t o t h e a d v e r s e i m p a c t o f e c c e n t r i cp r e s s u r e l o a dqo nf o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o n.I fn e c e s s a r y,r e l e v a n tm e a s u r e sc a nb e t a k e nt or e d u c e t h ee c c e n t r i cp r e s s u r el o a d,s oa s t or e d u c e t h ec o n s t r u c t i o nr i s k i nt h ep r o c e s so f f o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o n.K e yw o r d s:D e e pf o u n d a t i o np i t;S u r f a c es u b s i d e n c e;D i a p h r a g m w a l l;B i a s l o a d;A x i a l f o r c e城市建设对基坑变形控制有着严格要求,深入研究深基坑开挖引起的支护结构和土体变形特性对于基坑工程防灾减灾具有重要意义1-3。近年来,不少学者对相关问题开展了多方面研究,并取得一些成果4-6。现场监测方面,孔茜等7采用现场监测方法研究了钢支撑施工时间滞后对围护桩水平位移的变化规律的影响;徐前卫等8开展了超深圆形基坑施工引起的变形和内力的监测结果对比分析;李顺群等9采用现场监测手段研究了基坑开挖对邻近隧道变形的影响。理论计算方面,周海祚等1 0提出了基坑倾斜桩支护的抗倾覆与整体稳定安全系数的计算方法;刘建文等1 1采用M i n d l i n解计算并建立了基坑开挖对隧道影响的相关理论模型;李涛等1 2基于W i n k l e r弹性地基梁理论,对深基坑内支撑拆除时支护结构的水平位移计算方法展开了研究。数值模拟方面,王锐松等1 3采用A B AQU S软件对基坑开挖进行了建模,并对粉土基坑柔性支护结构的变形特征展开了深入研究;吕松梅等1 4结合数值模拟手段,研究了深基坑开挖引起的支护结构的变形特征;陈松等1 5针对富水砂层深基坑降水方案,建立了基坑开挖降水的全过程三维计算模型。以上研究对象多数为地铁车站深基坑工程,而对管廊基坑工程在非对称荷载条件下开挖引起的变形特性的研究不多见。综合管廊项目大多位于城市的中心区域,人口密度较大,在建造过程中比较容易对邻近建(构)筑物产生影响1 6-1 7。此外,临近基坑的非对称超载会对基坑产生不利影响,甚至引起基坑破坏1 8。本研究采用数值模拟与现场监测方法对非对称荷载作用下管廊基坑工程开挖引起的地连墙水平变形规律以及偏压荷载q的改变对内支撑轴力及坑外地表沉降的影响开展了研,可为类似工程的设计和施工提供借鉴。1 工程概况本研究对象为合肥市某综合管廊明挖段基坑工程。基坑截面见图1。基坑右侧作为施工场地,距离坑外D=5m处堆放有钢筋等各种施工材料。根据施工单位测算,施工材料将在基坑右侧7m的范围内产生q=1 7k P a的地面超载,这属于非对称荷载作用下的基坑开挖工程。工程相关概况具体内容参见文献1 9。此外,根据岩土工程勘察报告,简化后的土层为5层(图1)。土体力学参数如表1所示。图1 基坑典型截面示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t y p i c a l s e c t i o no f f o u n d a t i o np i t301第3 7卷第3期赵 平,等:基于非对称荷载作用下的基坑变形特性研究表1 计算模型土层力学参数T a b l e1 M e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f c a l c u l a t i o nm o d e l s o i l l a y e r 土层名称E 5 0 r e f/MP aE o e d r e f/MP aE u r r e f/MP av/(k N/m3)c/(k N/m2)/()杂填土3.03.09.00.3 82 0.067.5可塑性黏土5.15.11 5.30.3 32 0.04 01 4.0硬塑性黏土1 2.01 2.03 6.00.3 02 0.44 21 5.0全风化砂岩1 6.01 6.04 8.00.3 02 0.83 71 5.9强风化砂岩6 1 0.06 1 0.018 3 0.00.2 02 3.58 82 4.52建模与计算2.1 M I D A S/G T SN X软件在基坑工程中的运用M I D A S/G T SN X软件在基坑工程的数值模拟中被广泛采用2 0-2 1。周政等2 0结合星火站站房基坑工程,运用该软件分析了基坑在邻域局部超大附加荷载作用下变形的空间效应;肖罗发等2 1运用该软件建立了模型,研究了邻近基坑的建筑物对基坑围护结构的水平位移的影响和坑角效应对位移的影响。本研究数值模拟部分选用M I D A S/G T SN X软件进行相关分析。2.2 基本假定由于施工过程和现场工程条件比较复杂,为便于计算,本研究基本假设参见文献1 9。2.3 建立模型由于基坑长度约为宽度的1 0 3倍,呈窄长条形,可以简化为二维平面应变问题进行分析2 2-2 3。考虑工程实际情况,本研究建立的整体二维模型宽(x)、高(y)分别为4 8、3 0m。模型坐标系如图2所示,模型边界约束条件、接触面的特性设置及地下连续墙、基坑内支撑特性与文献1 9 保持一致,土体采用修正摩尔库伦本构关系。整体网格划分情况如图2所示。图2 二维有限元模型F i g.2 T w od i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm o d e l2.4 模拟施工施工过程分为5个工况。工况(1):进行初始地应力分析与位移清零;工况(2):地下连续墙施工;工况(3):开挖1;工况(4):开挖2,增加第一道支撑;工况(5):开挖3,增加第二道支撑。需要说明的是,第1次开挖深度为1m,第2次和第3次开挖深度均为3m。3 数值模拟结果与现场实测对比分析数值模拟方法的优点有很多,例如,可以较好地模拟基坑施工过程,费用合理,以及可以对基坑开挖带来的影响进行预测等优点,此外,现场监测可以动态监测周边环境与基坑的相互影响2 4-2 6。图34分别为基坑开挖完成时地下连续墙A和B的水平位移模拟值与监测值对比曲线图,通过对比分析得出:超载增大了近超载侧地下连续墙B的受力和变形;超载会引起远侧地连墙A顶部出现远离基坑的位移,此结论与王鹏2 7研究结论相一致;模拟值与实测值比较接近,曲线的变化规律基本一致,从而说明本次数值模401 安徽科技学院学报 2 0 2 3年拟中所选修正摩尔库伦本构模型及参数描述土体力学行为的有效性。此外,在图3中,最大水平位移模拟值约为6.2mm,监测值约为7.9mm。此外,开挖完成时,在地连墙A顶部出现了朝向基坑外侧的变形,这可能是由于该基坑受到非对称的地表超载影响造成的。图4中,最大水平位移模拟值与监测值分别约为8.5、9.8mm。通过对比可知,最大水平位移方面,左侧地下连续墙比右侧小,差值约为2.3mm,这可能是由于偏压荷载的作用,使得偏压侧地下连续墙水平位移向基坑内部增加,非偏压侧的地下连续墙水平位移受到了抑制作用。综上,模型参数的选取相对可靠,可以在此基础上开展偏压荷载q的改变对内支撑轴力和地表沉降的影响分析。图3 地连墙A水平位移对比图F i g.3 C o m p a r i s o no fh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to fd i a p h r a g m w a l lA图4 地连墙B水平位移对比图F i g.4 C o m p a r i s o no fh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n to fd i a p h r a g m w a l lB4 偏压荷载q的改变对内支撑轴力及地表竖向变形的影响非对称荷载作用下的基坑开挖工程中引起的支护结构内力以及地表竖向变形的影响因素主要有超载的位置与超载的大小2 7-2 8。本研究只讨论偏压荷载q大小的改变而引起的内支撑轴力以及地表竖向变形的影响,以建立的模型为基础,把偏压荷载q的取值作为单一变量,建立数值模型来进行分析研究。偏压荷载q的取值依次为1 7、2 0、2 3、2 6、2 9、3 2k P a。4.1 支撑轴力分析为分析非对称荷载作用下基坑开挖对内支撑轴力的影响,提取数值模拟计算结果,绘制了内支撑轴力对比图。图56分别为偏压荷载q的改变引起的工况(4)和工况(5)下第一道内支撑轴力变化对比图,图7为工况(5)下第二道内支撑轴力变化对比图。不难发现,内支撑轴力对偏压荷载q较敏感,且随着偏压荷载q的不断增大而有增大的趋势。图5中,当q=1 7k P a时,第一道内支撑轴力数值为8 1 3k N,当q=2 0k P a时,第一道内支撑轴力数值为8 9 0k N,二者轴力值相差7 7k N。另外,当q取值分别为2 3、2 6、2 9、3 2k P a时,轴力分别为9 1 3、9 3 2、9 5 0、9 6 3k N。说明坑外偏压荷载的变化对支撑轴力有较大影响。图6中,当q=1 7k P a时,第一道内支撑轴力数值为6 6 2k N,当q=2 0k P a时,第一道内支撑轴力数值为7 5 6k N,二者轴力值相差9 4k N。这也可以印证偏压荷载q变化对支撑轴力的较大影响。此外,当q取值分别为2 3、2 6、2 9、3 2k P a时,第一道内支撑轴力分别为7 7 2、7 8 5、7 9 9、8 1 2k N。图7中,当q=1 7k P a时,第二道内支撑轴力数值为5 5 2k N,当q=2 0k P a时,第二道内支撑轴力数值为6 3 2k N,二者轴力值相差8 0k N。这也再次说明坑外偏压荷载q变化对支撑轴力的影响较大。另外,当q取值分别为2 3、2 6、2 9、3 2k P a时,第二道内支撑轴力分别为:6 5 2、6 7 3、6 9 2、7 1 5k N。对比图56还可以看出,工况(5)下第1道支撑轴力相较于工况(4)下有所减小,原因可能是以下两个方面:(1)基坑开挖深度的增大;(2)第2道支撑设置之后也参与了受力,并发挥了作用。综上,在基坑开挖支护过程中,要特别重视基坑附近可能会出现的非对称荷载对基坑开挖带来的不利影响,必要时可采取措施减小基坑附近非对称超载的大小来降低这种不利影响。501第3 7卷第3期赵 平,等:基于非对称荷载作用下的基坑变形特性研究图5 工况(4)下第1道支撑轴力变化F i g.5 C h a n g eo f a x i a l f o r c eo f t h e f i r s t s u p p o r tu n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n(4)图6 工况(5)下第1道支撑轴力变化F i g.6 C h a n g eo f a x i a l f o r c eo f t h e f i r s t s u p p o r tu n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n(5)图7 工况(5)下第2道支撑轴力变化F i g.7 C h a n g eo f a x i a l f o r c eo f t h es e c o n ds u p p o r tu n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n(5)图8 工况(4)下第1道支撑轴力与超载关系F i g.8 R e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i a l f o r c eo f t h e f i r s t s u p p o r ta n do v e r l o a du n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n(4)此外,为进一步揭示不同工况下支撑轴力与超载的关系的一般规律,对计算结果进行拟合,形成拟合曲线图81 0。总体来看,尽管不同工况下随着超载的改变,不同位置的内支撑轴力变化值不同,但内支撑轴力与超载之间呈开口向下的抛物线关系,且都表现出先增长快,后增长慢,并逐步趋于稳定的特征。具体来看,图8为工况(4)下第1道支撑轴力与超载关系拟合曲线图,由图8可见,通过回归相关系数R2=0.9 3 81,可得出计算公式:y=-0.6 7 46x2+4 2.0 9 4x+3 0 1.5 1。图9为工况(5)下第1道内支撑轴力与超载关系拟合曲线图,由图9可见,通过回归相关系数R2=0.9 2 39,可得出计算公式:y=-0.8 1 94x2+4 8.6 4 8x+8 5.8 3 9。图1 0为工况(5)下第2道内支撑轴力与超载关系拟合曲线图,由图1 0可见,通过回归相关系数R2=0.9 5 94,可得出计算公式:y=-0.5 7 34x2+3 7.7 7 3x+8 6.4 6 1。其中,x为超载q,y为轴力。综上,回归相关系数R2均接近1,说明拟合效果较好2 8。图9 工况(5)下第1道支撑轴力与超载关系F i g.9 R e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i a l f o r c eo f t h e f i r s ts u p p o r ta n do v e r l o a du n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n(5)图1 0 工况(5)下第2道支撑轴力与超载关系F i g.1 0 R e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i a l f o r c eo f t h es e c o n ds u p p o r ta n do v e r l o a du n d e rw o r k i n gc o n d i t i o n(5)601 安徽科技学院学报 2 0 2 3年4.2 坑外地表竖向变形分析为了分析非对称荷载作用下基坑开挖对周围地表竖向变形的影响,提取数值模拟计算结果,绘制了坑外地表沉降曲线,如图1 1所示。图1 1为偏压荷载q改变而引起的开挖完成时基坑右侧地表竖向变形对比图,由图1 1可见,地表竖向变形总体表现为“两头小,中间大”的沉降规律,此结论与杨琴等2 9在开展非对称开挖深基坑变形分析时得出的结论相一致。此外,地表沉降值对偏压荷载q的大小较为敏感,有随着偏压荷载q的增大而不断增大的趋势,但偏压荷载q的改变对基坑右侧地表竖向变形表现为“两头小,中间大”的典型地表沉降规律几乎没有影响,并且,最大地表沉降出现的位置几乎不随偏压荷载q的改变而改变。当q=3 2k P a时,基坑开挖引起的地表沉降最大,最大值约为1 4.6mm。当q=1 7k P a时,基坑开挖引起的地表沉降最小,最大值约为8.9mm,相比而言,约减小5.7mm,可见偏压荷载q大小的改变对坑外地表竖向变形有较大影响。另外,当超载大小q取值分别为2 0、2 3、2 6、2 9k P a时,最大地表沉降分别约为1 0.5、1 2.4、1 3.2、1 3.8mm。综上,非对称荷载作用下基坑开挖对荷载作用侧地表竖向位移对荷载大小较敏感,荷载增大会加大地表沉降,对基坑附近的建筑物或者构筑物产生不良影响,因此,在类似基坑工程设计和施工时应重视非对称荷载大小对基坑附近地表沉降带来的不良影响。此外,为进一步揭示最大竖向位移与超载关系的一般规律,将数值模拟计算结果进行拟合,形成拟合曲线图1 2。图1 2为开挖完成时基坑右侧地表最大竖向位移与超载关系拟合曲线图,由图1 2可见,地表沉降最大值随超载的增大有增大的趋势,但增大的速率在不断变化,地表沉降最大值与超载之间呈开口向下的抛物线关系,具体来看,通过回归相关系数R2=0.9 9 25,可得出计算公式:y=-0.0 1 83x2+1.2 6 78x-7.3 9 11。其中,y代表地表沉降最大值、x表示超载q。综上,回归相关系数R2数值接近1,说明拟合效果较好2 9。图1 1 地表竖向变形对比图F i g.1 1 C o m p a r i s o nd i a g r a mo f s u r f a c ev e r t i c a l d e f o r m a t i o n图1 2 最大竖向位移与超载关系F i g.1 2 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m u mv e r t i c a l d i s p l a c e m e n t o f o v e r l o a d5 结论本研究依托合肥市某管廊基坑工程,采用M I D A S/G T S对基坑开挖及支护全过程进行数值模拟,研究了非对称荷载作用下深基坑开挖引起的地连墙水平变形规律,模型计算结果与实测数据吻合良好,在此基础上研究了偏压荷载q数值的改变对内支撑轴力及坑外地表沉降的影响。数值计算与现场监测结果吻合较好,证实了修正摩尔库伦模型本构模型及所选参数描述土体力学行为在本研究中的有效性。基坑开挖完成时,超载不仅增大近超载侧地下连续墙的受力和变形,还会引起远侧地下连续墙顶部出现与基坑反向的位移。数值模拟结果显示,近超载侧和远侧地下连续墙的最大水平位移分别约为6.2和8.5mm,二者相差2.3mm。基坑变形特性对偏压荷载q的大小较敏感,随着偏压荷载q不断增加,内支撑轴力和偏压侧地表沉降均有增大的趋势,因此在类似偏压基坑工程设计和施工过程中要重视偏压荷载q给基坑开挖带来的不利影响,必要时可采取相关措施减小偏压荷载,进而减小基坑开挖过程的施工风险。701第3 7卷第3期赵 平,等:基于非对称荷载作用下的基坑变形特性研究参考文献:1 欧孝夺,谭智杰,罗方正,等.设计参数对深基坑双排桩支护结构影响的数值分析J.科学技术与工程,2 0 2 1,2 1(7):2 8 7 3-2 8 7 8.2 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