优化基底土体尺寸对围护结构的影响研究.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202302039开放科学（资源服务）标识码（OSID）优化基底土体尺寸对围护结构的影响研究宗文亮（宁波同元检测科技有限公司，浙江宁波315000）摘要：通过优化基坑内被动土体的方式减小围护结构的水平位移。该方法是通过施工工艺来改变基坑被动土体的力学性质，从而提高被处理土体的物理力学性能。以某地区地铁车站开挖为案例，利用 FLAC3D 软件建立三维模型，模拟基坑开挖过程，研究加固体的宽度、深度对基坑围护结构水平位移变形规律的影响。结果表明：在加固深度不大于 4.5 m 时，可以有效地减小地连墙的水平位移，但当加固深度大于 4.5 m 时，加固带来的优化效果不明显；当采用相同加固宽度时，加固深度不大于 4.5 m 时，加固宽度不大于 6.0 m 优化效果明显，加固深度大于 4.5 m 时，加固宽度大于 6.0 m优化效果明显；同时，在特定地连墙围护结构水平位移下，找到了优化宽度和深度之间的二次关系式。关键词：基坑；有限差分法；地连墙；水平位移；变形规律；稳定性中图分类号：TU46+3文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)04 0094 06 0 引言近年来，为了使基坑开挖能够安全高效地进行，国内外许多学者对基坑工程展开了大量的研究。一方面，基坑开挖深度和开挖面积的增加对设计和安全施工提出了更高的要求，基坑工程需要满足围护结构本身的安全性和稳定性。另一方面，深基坑设计由最初的强度控制发展到今天的变形控制、系统控制。通过对基坑坑内土体的加固来提高维护结构的稳定性研究，对优化基坑设计具有重要意义1。由于城市深基坑建设工程的集中性，导致同种类型的围护结构在同地区多次出现。于是，研究不同基坑规模与加固土体之间的线性关系来得到其适用的经济范围，对于节约成本及优化设计具有非常重要的意义2。本文在分析实际基坑监测资料基础上，利用计算机仿真技术进行基坑数值模拟，通过对基坑底部土体进行加固来分析围护结构的变形规律，从而有效地指导和优化设计，达到合理利用和节约资源目的。1 有限差分法概述 1.1 有限差分方法有限差分方法是计算机数值模拟最早采用的方法，至今仍被广泛运用。该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法以 Taylor 级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组3。对于有限差分，从格式的精度来划分，有一阶格式、二阶格式和高阶格式。从差分的空间形式来考虑，可分为中心格式和逆风格式。考虑时间因子的影响，差分格式还可以分为显格式、隐格式、显隐交替格式等4。目前常见的差分格式，主要是上述几种形式的组合，不同的组合构成不同的差分格式。差分方法主要适用于有结构网格，网格的步长一般根据实际地形情况和稳定条件来决定。1.2 土体本构模型Mohr-Coulomb 模型是一个具有固定屈服面的理想塑性本构模型。固定屈服面是由模型参数来完全定义，不受（塑性）应变的影响。空间 Mohr-Coulomb 屈服准则由下面六个屈服函数组成f1=(23)+(2+3)sin2ccos=0（1）f2=(32)+(2+3)sin2ccos=0（2）f3=(31)+(1+3)sin2ccos=0（3）收稿日期：2023 05 11基金项目：浙江省住房与城乡建设厅建设科研项目（2022K152）作者简介：宗文亮（1990），男，安徽滁州人。工程师，硕士，主要从事岩土工程专业研究工作。E-mail：。路基工程 94 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）f4=(13)+(1+3)sin2ccos=0（4）f5=(12)+(1+2)sin2ccos=0（5）f6=(21)+(1+2)sin2ccos=0（6）Mohr-Coulomb 准则的优点是：他能反映岩土材料在不同抗压强度下的 S-D 效应（拉压的屈服与破坏强度不同）和对静水压力的敏感性，而且简单实用。通过各种不同的常规试验仪器和方法就可测定材料的 c 和 值，因此在岩土力学弹塑性理论中得到广泛应用，并且积累了丰富的试验资料与应用经验5。1.3 结构单元FLAC3D 软件内具有很全面的结构单元模型，包括梁单元（beam）、锚索单元（cable）、壳单元（shell）、桩单元（pile）、衬砌单元（liner）和土工格栅单元（geogrid）等。对于内支撑来说，简化为一维杆单元进行分析，选用 beam 单元。但是，对于钢支撑，其只能承受压应力而不能承受拉应力，且本基坑中部地连墙顶端的实测值也正好都为负值。但实际第一道内支撑为混凝土支撑，所以也不存在不能承受拉应力的情况，该模型中不予考虑6。2 三维建模与数值分析为了真实地模拟基坑开挖过程对基坑变形的影响，以某地区地铁车站开挖为案例，运用 FLAC3D有限元数值模拟分析软件，建立 300 m120 m65 m三维模型，模拟分析典型断面地连墙水平位移值，并与施工监测数据对比，验证三维建模与数值分析方法选取的合理性。2.1 三维建模方法由于基坑开挖后对周围环境的影响宽度约为开挖深度的 34 倍，影响的深度约为开挖深度的24 倍，在这个范围之外的土体及建筑物受基坑变形的影响较小。因此，模型的计算边界可确定为 300 m120 m65 m。按土体物理力学参数的相似性将其简化为三种土层，建模中各土层物理力学性质，见表 1；建模中结构材料物理力学性质，见表 2。表1建模中各土层物理力学性质土层容重/（kNm3）体积模量/MPa剪切模量/MPa泊松比分部深度/m黏聚力/kPa内摩擦角/（）黏土19.522.28.30.3507.728.315.2粉质黏土20.019.59.20.317.713.220.018.8黏土19.821.09.00.3213.216.023.019.0粉质黏土18.818.08.00.3016.031.017.015.0粉砂21.025.011.00.2831.044.014.023.0粉质黏土22.020.011.00.3644.066.020.020.0 表2建模中结构材料物理力学性质材料名称容重/（kNm3）弹性模量/MPa泊松比备注钢支撑78.5200000 0.300609钢管，厚度t=16 mm钢筋混凝土内支撑25.0320000.167C30混凝土，支撑截面：800 mm900 mm地连墙25.0320000.167C30混凝土，厚度t=0.8 m 模型的侧向边界是采用简支还是滑动支座对于基坑的变形没有太大影响，仅对模型边界附近的变形有一定影响。计算模型的位移边界条件为：X 正方向的面约束其 X 方向的位移 UX、绕 Y 轴转动RY、绕 Z 轴转动 RZ；Y 正方向的面约束其 Y 方向的位移 UY、绕 X 轴转动 RX、绕 Z 轴转动 RZ；Z 负方向的面约束 Z 方向位移 UZ；Z 正方向的面为地表面，不进行任何约束。2.2 数值分析工况为了使模型结合实际情况，将计算工况划分，见表 3。表3计算工况划分工况号说明1通过自重模拟初始地应力状态2施作地连墙，初始位移归为零3开挖至0.5 m4施作第一道钢筋混凝土支撑，开挖至7.5 m5施作第二道钢支撑，开挖至12.5 m6施作第三道钢支撑，开挖至16.0 m 为了真实地模拟基坑开挖过程对基坑变形的影响，FLAC3D 中的空模型（model null）通常应用于表示需要被开挖或被移除的材料，且将移除或开挖的区域应力设为零。在数值模拟过程的后期，空模型材料也可以转化成其他的材料模型。本基坑就采用空模型来模拟基坑开挖，变形云图，见图 1。宗文亮：优化基底土体尺寸对围护结构的影响研究 95 2.1114e002 to 2.0000e0022.0000e002 to 1.5000e0021.5000e002 to 1.0000e0021.0000e002 to 5.0000e0035.0000e003 to 0.0000e+0000.0000e+000 to 5.0000e0035.0000e003 to 1.0000e0021.0000e002 to 1.5000e0021.5000e002 to 2.0000e0022.0000e002 to 2.0766e002图1基坑 FLAC3D 数值模拟开挖变形云图 2.3 模拟结果和实际检测值对比分析比较模拟值和实测值的最大位移，发现相对偏差不超过 20%，且两者的变形趋势基本一致。因此，该数值模型可以用作以后各章节进行基坑底部被动土体加固范围和加固参数对维护结构变形规律的研究工作。数值模拟值与实际检测值对比，见图 2。（a）左墙0510152025303522610141822水平位移/mm左墙深度/m模拟值实测值0510152025303522 18 14 106-22右墙深度/m水平位移/mm（b）右墙模拟值实测值图2数值模拟值与实际检测值对比 根据数值分析结果，将基坑延长度方向的中心X=150 m 处典型断面的左右墙水平位移值与实际检测值进行对比，数值分析最大值出现在基坑深14 m 左右，左右墙的位移值均为 20.8 mm。比较模拟值和实测值位移曲线，发现模拟值和实测值的差值在最大值位置以下比该点上部的要大。结合现场施工和数据分析，出现最大值变大和位置下移是由于基坑坑内施工造成了坑内被动土体的超载，从而使该部分土体压缩，提高了抗变形能力。此外，在进行内支撑预应力加载时，加载值比设计值多了 20%左右，这也是减小了地连墙的水平位移的主要因素。3 研究工况本章主要在上文建立的模型基础上，通过按一定规律改变基坑底部被动土体的加固面积来分析地连墙的变形规律。建模的假设条件在此不再赘述，主要将被动土体的加固及加固参数方面的假设归纳如下：搅拌桩施工不引起基坑内未加固土体物理参数的改变和土体结构性的破坏；加固范围内土体的弹性模量和泊松比不随施工、深度和宽度发生变化；搅拌桩的直径=600 mm，搭接长度L=200 mm，搅拌桩的置换率为 100%；用于坑内加固的水泥土搅拌桩的龄期为 28 天，水泥土搅拌桩的弹性模量E=100 MPa，泊松比=0.3；被加固土体按弹性材料进行模拟。通过数值模拟计算不同处理范围下地连墙的水平位移，寻找到抑制地连墙位移的最优处理范围，从而指导施工和设计。为了能很好地找到底部土体对地连墙变形规律的影响，将基坑底部以下土体的处理范围沿宽度按 2.0 m 从左右墙向中心递增，深度方向按 1.5 m 向下部递增，优化方式是通过改变该范围内土体的参数。不同加固面积下的工况划分，见表 4。基坑土体加固与开挖现场实景，见图 3。表4不同加固面积下的工况划分工况加固范围说明工况加固范围说明工况加固范围说明1深度1.5 m，宽度2.0 m11深度4.5 m，宽度2.0 m21深度7.5 m，宽度2.0 m2深度1.5 m，宽度4.0 m12深度4.5 m，宽度4.0 m22深度7.5 m，宽度4.0 m3深度1.5 m，宽度6.0 m13深度4.5 m，宽度6.0 m23深度7.5 m，宽度6.0 m4深度1.5 m，宽度8.0 m14深度4.5 m，宽度8.0 m24深度7.5 m，宽度8.0 m5深度1.5 m，宽度10.0 m15深度4.5 m，宽度10.0 m25深度7.5 m，宽度10.0 m6深度3.0 m，宽度2.0 m16深度6.0 m，宽度2.0 m26深度9.0 m，宽度2.0 m7深度3.0 m，宽度4.0 m17深度6.0 m，宽度4.0 m27深度9.0 m，宽度4.0 m8深度3.0 m，宽度6.0 m18深度6.0 m，宽度6.0 m28深度9.0 m，宽度6.0 m9深度3.0 m，宽度8.0 m19深度6.0 m，宽度8.0 m29深度9.0 m，宽度8.0 m10深度3.0 m，宽度10.0 m20深度6.0 m，宽度10.0 m30深度9.0 m，宽度10.0 m 路基工程 96 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）图3基坑土体加固与开挖现场实景 4 地连墙随土体优化宽度的变形规律各工况下地连墙典型断面（x=150）的水平位移网线，见图 4。从图 4 可以看出：各加固深度中，随着加固宽度的增加地连墙的位移逐渐减小，各工况的处理效果都非常明显。通过比较不同加固工况可以发现：工况 1 和工况 5 的最大位移值比初始位移分别减小了约 30%和 50%，工况 3 和工况 4 没有太大变化，说明当加固深度为 1.5 m，加固宽度分别为 2.0、10.0 m 时，加固效果最明显；工况 10 的最终位移相比初始位移减小了约 14 mm，达到 67%，而工况 7、工况 8、工况 9、工况 10 的最大位移递减值不到 2 mm，说明当加固深度为 3.0 m，加固宽度分别为 4.0、6.0、8.0 m 时，相比加固宽度分别为2.0、10.0 m 的优势不明显；当加固深度为 4.5 m 时，加固宽度为 8.0、10.0 m 的位移曲线几乎重合，说明当加固深度在 4.5 m 时，当加固宽度达到 8.0 m以后，再通过增加加固宽度来减小地连墙位移的方式作用不明显；从加固深度为 4.5 m 的 5 个工况和工况 16 至工况 30 比较时发现，后 15 个工况几乎没有太大变化，说明当加固深度达到 4.5 m 以后，加固深度对减小地连墙的位移的贡献值几乎为零。初始位移加固宽度4 m加固宽度8 m加固宽度2 m加固宽度6 m加固宽度10 m初始位移加固宽度4 m加固宽度8 m加固宽度2 m加固宽度6 m加固宽度10 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（a）优化深度1.5 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（b）优化深度3.0 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（c）优化深度4.5 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（d）优化深度6.0 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（e）优化深度7.5 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（f）优化深度9.0 m图4地连墙随土体优化宽度的水平位移曲线 5 地连墙随土体优化深度的变形规律为了使地连墙的位移随加固深度的变化更直观，将地连墙水平位移以深度方向为变量重新绘制，不同优化宽度下地连墙水平位移曲线，见图 5。从图 5 可以看出：当加固宽度为 2.0、4.0 m时，地连墙沿加固深度变化的位移曲线几乎重合，说明当加固宽度不大于 4.0 m 时，通过提高加固深度来减小地连墙的位移作用不突出。当加固宽度在 6.0、8.0、10.0 m 时，加固深度不大于 4.5 m 优势非常明显。当加固后地连墙的最大位移为 11 mm 时，加宗文亮：优化基底土体尺寸对围护结构的影响研究 97 固深度不大于 6.0 m 所对应的加固宽度及不同加固面积对比，见图 6。22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（a）优化宽度2 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（b）优化宽度4 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（c）优化宽度6 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m（d）优化宽度8 m（e）优化宽度10 m22218614101014618222水平位移/mm水平位移/mm0510152025303505101520253035左墙深度/m右墙深度/m加固宽度1.5 m加固宽度4.5 m加固宽度7.5 m初始位移加固宽度3.0 m加固宽度6.0 m加固宽度9.0 m加固宽度1.5 m加固宽度4.5 m加固宽度7.5 m初始位移加固宽度3.0 m加固宽度6.0 m加固宽度9.0 m图5地连墙随土体优化深度的水平位移曲线 加固深度加固宽度加固面积1.5 m3.0 m4.5 m6.0 mm=15 m2m=18 m2m=18 m2m=24 m2图6地连墙最大位移一定时不同加固面积对比 由图 6 可以看出：达到该处理效果的优化宽度依次为 10.0、6.0、4.0、4.0 m（工况 5、工况 8、工况 12、工况 17），优化面积依次为 15、18、18、24 m2，而 深 度 1.5 m 时 的 处 理 面 积 仅 为15 m2。故随着处理深度的加大，存在浪费资源，特别是深度超过 4.5 m 以后，建议类似优化工程，应将优化深度不大于 4.5 m。现将地连墙最大位移为 11 mm 时，基坑加固土体深度 x 与宽度 y 拟合曲线，见图 7。1210182634425067y=0.4444x24.6667x+16.000R2=1.0000加固宽度与深度的关系曲线多项式（加固宽度与深度的关系曲线）深度/m宽度/m图7地连墙加固土体深度x与宽度y拟合曲线 加固宽度与深度的关系式为y=0.4444x24.6667x+16.000（1.5 mx6.0 m，深度为x，宽度为y）（7）加固面积公式为m=xy=0.4444x34.6667x2+16x（1.5 mx6.0 m，深度为x，宽度为y）（8）6 结语根据基底土体加固宽度和深度的变化划分了路基工程 98 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）30 个工况，优化了基底土体加固尺寸对围护结构的影响。（1）当采用相同加固深度时，支护结构的水平位移随加固宽度的增加而减小，而优化效果逐渐减弱，以加固深度不大于 4.5 m 为最佳。（2）当采用相同加固宽度时，加固深度不大于 4.5 m 时，加固宽度不大于 6.0 m 优化效果明显。加固深度大于 4.5 m 时，加固宽度大于 6.0 m优化效果明显。针对此类型的基坑工程，当依靠优化基坑底部土体以达到减小地连墙水平位移的目的时，建议优化加固宽度不大于在 6.0 m，优化加固深度不大于4.5 m。参考文献(References)：1 刘建航,侯学渊.基坑工程手册M.北京:中国建筑工业出版社,1997.LIU J H,HOU X Y.Excavation engineering handbookM.Beijing:China Building Industry Press,1997.2 唐孟雄,陈如桂,陈伟.深基坑工程变形控制M.北京:中国建筑工业出版社,2006.TANG M X,CHEN R G,CHEN W.Deformation control of deepfoundation pit engineeringM.Beijing:China Building Industry Press,2006.3 吕凤梧.深基坑施工过程多支撑挡土墙动态可靠度计算 J.工业建筑,2003,33（7）:1 5,84.LV F W.Dynamic reliability analysis on retaining diaphragm with strutsof deep excavation during construction J.Industrial Construction,2003,33（7）:1 5,84.4 王建华,徐中华,陈锦剑,等.上海软土地区深基坑连续墙的变形特性浅析 J.地下空间与工程学报,2005,1（4）:485 489.WANG J H,XU Z H,CHEN J J,et al.Deformation properties ofdiaphragm wall due to deep excavation in shanghai soft soil J.ChineseJournal of Underground Space and 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theexcavation of a subway station in certain area taken as an example,FLAC3D software was used to establish athree-dimensional model to simulate the excavation process of the foundation pit,and then to study the influenceof the width and depth of reinforced soil body on the horizontal displacement and deformation law of thefoundation pit retaining structure.The results show that,when the depth of reinforcement is within 4.5 m,thehorizontal displacement of the underground continuous wall can be effectively reduced,but when the depth ofreinforcement exceeds 4.5 m,the optimization effect brought by the reinforcement is not obvious;when the samewidth of reinforcement is applied,the width of reinforcement less than 6m contributes to obvious optimizationeffect when the depth of reinforcement is less than 4.5 m,while the width more than 6.0 m to obviousoptimization effect when the depth is greater than 4.5 m.At the same time,under a specific horizontaldisplacement of the retaining structure of the continuous wall,the quadratic relationship between the width andthe depth of the optimization was found out.Key words:foundation pit；finite difference method；underground continuous wall；horizontal dis-placement；deformation law；stability宗文亮：优化基底土体尺寸对围护结构的影响研究 99