复杂支护结构深基坑变形监测与数值模拟分析

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:robinjwj
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深基坑工程是一个综合性强、涉及内容广、结构特征复杂,支护体系种类繁多、功能要求日益复杂的岩土工程问题,在当今21世纪,深基坑工程已渗入到城市建设中的各个领域,如高层建筑、地下商城、地铁工程建设等等,而且在开挖面积和开挖规模上越来越大,所涉及到的岩土工程问题越来越复杂,其开挖支护面临的挑战也是越来越严峻,这反过来又推动了深基坑工程的快速发展,在这种背景下,深基坑支护结构的设计和变形量计算与预测己成为岩土工程领域的重要研究课题之一。深基坑工程作为当今21世纪最热门的学科,正逐渐呈现出“大、深、紧”的特点,对其研究具有时代意义。   南国·北都城市广场深基坑工程位于汉口姑嫂树路与后湖路交叉口处,从武汉地下空间利用区划图上可以看出,该工程位于软土变形重点防范区,在开挖深度范围内及坑底含有厚度较大的淤泥质土层,地下水丰富;深基坑工程开挖规模较大,深度在10~13m范围,周边建筑物、道路、地下管线分布密集,施工工艺非常复杂,重要性等级为一级深基坑。   复杂工程地质条件下的复杂深基坑工程在复杂的支护结构和施工工艺下,必然会发生复杂的变形破坏,分析深基坑开挖过程中的变形特征和变形大小,对评价深基坑支护结构的合理性、保证深基坑工程的安全稳定具有重要意义。   本文以南国·北都城市广场深基坑为工程案例背景,在总结前人研究成果的基础上,采用现场监测与数值模拟相结合的方法,通过对土压力理论的学习,现场监测资料的整理分析,以及数值模拟结果的分析,研究以双排桩支护结构为特点的南国·北都城市广场深基坑的开挖变形问题,对其开挖过程中的稳定性进行评价,本文的主要工作及所得到的结论如下:   1)通过对深基坑工程在国内外的研究现状总结发现,深基坑工程具有风险大、区域性强、工程量大以及环境效应敏感等特点,目前正往多、大、深方向发展,环境效应更加敏感,设计与施工开始从强度控制转向变形控制,支护结构越来越丰富多样化,信息化施工和数值模拟技术逐渐得到加强和认可,安全风险管理逐步加强。常见的深基坑变形破坏形式有基坑边坡失稳、坑底隆起、地面沉降等。   2)深基坑工程的开挖改变了原来平衡的应力场和渗流场等,必然会引起深基坑及周边环境的变形。采用现场实测法对深基坑开挖过程中的变形大小进行监测,监测内容主要有周边地表沉降、深基坑开挖坡顶位移与沉降、周围土层的深层位移以及支护结构的应力应变监测。由监测数据可知,深基坑的开挖使坑内外土压力差增大,导致周围地表及深层土体的沉降和侧向位移,监测结果表明周边地表出现不均匀沉降,有的沉降量累积达到了48mm,侧向位移达到35mm;侧向土压力作用在支护结构上,必然会导致支护结构的变形,桩身变形曲线类似与一般悬臂支护结构且水平位移与桩身呈近似线性关系,最大变形发生在桩顶,变形量累积达到38mm。   3)因本文深基坑工程规模较大、结构复杂,为简化建模难度、提高计算速度,所以根据深基坑工程概况,只选取深基坑某一典型变形区段,采用有限差分软件FLAC3D建立假三维模型进行弹塑性变形分析。依据工程实践经验、相关规范以及深基坑工况,确定模型长×宽×深为180m×4.5m×35m,以现场施工工艺以及支护方案为依据,正确选取土层以及支护结构的计算力学参数,计算其开挖与支护变更过程中的变形。由模拟计算结果可知:在开挖变更过程中,在开挖的坡脚处应力开始集中,随着开挖的不断进行,应力集中现象越来越明显,这说明该处容易发生破坏,要重点防范;深基坑侧壁的最大侧向位移发生在每一级开挖的坡顶处,第一级坡顶的累积水平位移约16mm,第二级坡顶约24mm,第三级坡顶约34mm;坑内外土压力差使深基坑坑外地表沉降,周边最大沉降发生在距离基坑2m左右的位置,最大沉降量达到42mm,主要影响范围在深基坑周边20m左右;与坑外沉降相反,坑内底部大量隆起,随着开挖深度的增加,隆起量逐渐增大,在边角处由于支护结构的作用,隆起量较小,最大隆起量发生在深基坑的中部,隆起量最大达到130mm左右;支护结构的支护作用也随着开挖深度的增加逐步调动出来并呈现逐渐增大的趋势,土钉/锚杆被调出的最大轴力为79.76Kpa,在第三步垂直开挖中,钻孔灌注桩起主要支护作用,所受的最大剪力达4.452MPa,所受的最大弯矩为1041KN·m。   4)深基坑在开挖支护过程中,由于影响基坑变形的因素很复杂、在模拟过程中有很多假设等使监测与计算之间存在一定的出入,但实测变形与模拟计算变形基本吻合。深基坑在开挖完成后累积的变形量在预警范围左右,深基坑处于欠稳定——稳定状态,支护结构相对合理,但在施工过程中要加强监测,做好应急抢险准备。   5)运用FLAC3D软件可以很好再现深基坑开挖的全过程,通过对深基坑变形规律的研究,坑外土层的侧向变形以及坑底土层的大量隆起,预测深基坑在开挖边角处的临空面上可能发生边坡失稳,所以在这个位置一定要加强支护,严密监测。   6)FLAC3D软件能很好的对分步开挖与支护的深基坑进行变形模拟,其自带的摩尔--库伦弹塑性模型能很好的反映土体结构的力学特性,使得模拟结果与实际监测比较接近,可以对深基坑开挖过程中可能遇到的险情进行预警预报,来确保深基坑开挖过程中的安全。
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