基于軟化模型的基坑開挖變形破壞特性研究
1緒論
隨著社會的發(fā)展，城市化進程的不斷加快，城市空間資源不足這一問題逐漸成為制約城市發(fā)展的限制性因素，而地下空間的開發(fā)，成為解決城市空間資源不足的有效解決方法。目前，世界上許多發(fā)達國家對城市地下空間的利用，已經(jīng)達到相當高的水平，我國許多大中型城市，也己修建了大量的地鐵、人防工程、地下商場和地下停車場、高層建筑地下室、地下管線綜合廊道等，為城市的發(fā)展提供了更寬廣的城市空間資源。為提高空間利用率，不管是向更高空間發(fā)展，建立多層次城市格局，還是充分利用地下空間，實現(xiàn)城市立體化發(fā)展，由于建筑物結(jié)構(gòu)本身及其及使用要求，基坑開挖深度以及地下結(jié)構(gòu)埋深都會隨之不斷加大。
城市基坑開挖過程中產(chǎn)生的地層變形效應，對周邊建筑物、地下市政管線、城市道路等構(gòu)成了不同程度的危害。由于采用的變形控制技術(shù)不當而發(fā)生的重大事故的案例也屢見不鮮，造成了巨大的經(jīng)濟損失，甚至危及到人的生命安全。因此，深入系統(tǒng)地對深基坑開挖產(chǎn)生的巖土體變形以及支護結(jié)構(gòu)的變形進行研究，分析研究基坑開挖的穩(wěn)定性，研究基坑失穩(wěn)破壞的形式，對充分利用地下空間，施工過程中使用合理的支護形式，降低該類工程施工安全風險，實現(xiàn)城市和諧可持續(xù)發(fā)展，具有十分重要的理論意義和實用價值。
隨著基坑工程的不斷發(fā)展，為滿足不同工程的要求，基坑的分類以及支護結(jié)構(gòu)的種類呈現(xiàn)出多元化的特點。根據(jù)施工工藝不同，基坑工程可分為放坡開挖和支護開挖；支護結(jié)構(gòu)類型有水泥土墻、土釘墻、錨桿、排樁以及地下連續(xù)墻等。根據(jù)國內(nèi)外許多工程案例的分析與總結(jié)，基坑工程有危險性大、區(qū)域性強、綜合性強等特點。
(1)基坑工程具有很大的區(qū)域性
巖土工程中的基坑工程有著很強的區(qū)域性。各地區(qū)之間，各城市之間，甚至鄰近場地的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件不同，都會導致基坑工程以及支護結(jié)構(gòu)形式的多樣性。除了受當?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的影響，基坑工程還受其周圍建筑物、構(gòu)筑物及地下市政設(shè)施的影響，與它們的重要性、位置及周圍場地條件密切相關(guān)。因此，基坑工程的設(shè)計與施工要因地制宜，根據(jù)本地具體情況具體問題具體分析，而不能簡單地完全照搬外地的經(jīng)驗。
(2)基坑工程具有很強的綜合性
基坑的開挖和支護是一個綜合性的巖土工程問題，不僅涉及到土力學中的強度與穩(wěn)定問題，還包括變形問題，滲流問題，涉及到土與支護結(jié)構(gòu)的共同作用[3]。有的基坑工程主要問題是開挖引起的支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，有的基坑工程面臨的主要問題是土中滲流引起土破壞問題，還有的基坑工程要解決的主要問題是周圍地面變形問題。同時，基坑工程是是多種復雜因素相互影響的系統(tǒng)工程，包含了巖土工程、結(jié)構(gòu)工程及施工技術(shù)等學科，是理論上尚待發(fā)展和完善的綜合技術(shù)學科。
(3)基坑工程具有較大的風險性
大多情況下基坑支護是臨時措施，支護結(jié)構(gòu)的安全儲備較小，風險也大。由于深基坑工程技術(shù)復雜，施工過程中容易發(fā)生安全事故，因此隨時進行施工監(jiān)測就變的尤為重要，同時，應隨時準備著安全應急措施�；庸こ淌┕こ杀据^高，但是由于是臨時性工程，施工投入時一般不愿投入過多資金，導致施工風險較大，出現(xiàn)安全問題，往往造成嚴重的經(jīng)濟損失和十分惡劣的社會影響�；迂�-挖的區(qū)域也就是地下結(jié)構(gòu)施工的區(qū)域，地下結(jié)構(gòu)的好壞又直接影響地上結(jié)構(gòu)，所以地下結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全必須保證。且深基坑工程施工周期長，從開挖到完成地面以下的全部隱蔽工程，常常經(jīng)歷多次降雨、周邊堆載、振動等許多不利條件，，安全度的隨機性較大，事故的發(fā)生往往具有突發(fā)性。另一方面，由于深基坑工程中的挖方量大，土體中原有天然應力的釋放量也大，這就使基坑周圍環(huán)境的不均勻沉降加大，使基坑周圍的建筑物出現(xiàn)不利的拉應力，地下管線的某些部位出現(xiàn)應力集中等，因此，基坑工程的施工具有很高的風險。
從以上各方面綜合看，目前我國基坑工程存在許多問題�；庸こ膛c其隸屬的巖土工程學科一樣，是實用性、經(jīng)驗性極強的學科，是隨著工程實踐不斷提高的學科。近些年的工程實踐已經(jīng)證明，在基坑工程這一領(lǐng)域，我們?nèi)〉昧嗽S多值得驕傲的成就，但是也必須承認同時發(fā)生了一些工程事故。造成基坑事故的原因很復雜，其所造成的經(jīng)濟損失也相當嚴重。目前基坑存在的問題大體可表現(xiàn)在兩個方面：設(shè)計階段存在的問題；施工階段存在的問題。
2基坑變形及支護的基本理論
基坑圍挖過程中，由于基坑開挖面及側(cè)面的卸荷作用，使得基坑底部發(fā)生降起變形，支護結(jié)構(gòu)在兩側(cè)土壓力差的作用下發(fā)zk側(cè)移。同時，在基坑底部隆起和支護結(jié)構(gòu)側(cè)移的共同作用下，坑外土體也將發(fā)生相應的變形，故基坑7T挖變形表現(xiàn)為坑外土體變形、支護結(jié)構(gòu)變形以及基坑底部降起。在鞋坑變形控制方面，國內(nèi)外的專家學者做過大量的研究工作，通過模型試驗、工程實測以及理論計算，形成了諸多研究成果，工程實踐中也積累了豐富的經(jīng)驗，為基坑設(shè)計理論、施工方法和安全監(jiān)控等方面提供了理論和經(jīng)驗指導。
2.1.1基坑外部土體變形
基坑開挖后，坑外土體將發(fā)生豎向沉降和水平位移。這些變形對周邊環(huán)境將產(chǎn)生較大影響，尤其是對于基坑周圍的建筑物。當坑外h體變形較大時，可導致建筑物發(fā)生失穩(wěn)和破壞，造成巨大的經(jīng)濟損失甚至是人員傷亡。因此，針對坑外土體的變形，國內(nèi)外許多學者作了較為深入的分析和研究。
測數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，Peck認為地表沉降曲線為三角形模式，并可根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件將支護結(jié)構(gòu)外側(cè)的地面沉降曲線分為I、II、III三個區(qū)域，如圖2-2所示。對于砂土和軟到硬點土，坑外地表沉降如I區(qū)域，最大沉降小于l%He(He為基坑開挖深度），影響范圍為2He;對于軟粘土，坑外地表沉降如II和III區(qū)域，最大沉降可達1%-3%He，影響范圍為2-4He。其經(jīng)驗曲線及相關(guān)的經(jīng)驗計算方法較全面地反映了不同土層的工程特性、場地條件和施工質(zhì)量對地面沉降的綜合影響，得到了廣泛的應用，尤其是作為基坑變形的初步計算。
三角形與凹構(gòu)型這兩種沉降模式的影響范圍均可劃分為兩個區(qū)域：主影響區(qū)域和次影響區(qū)域。假定影響區(qū)域的寬度為4倍的開挖深度，其中主影響區(qū)域和次影響區(qū)域?qū)挾鹊姆毒鶠?倍的圍挖深度。在主影響區(qū)域的寬度范圍內(nèi)，沉降曲線較陸，沉降量較大，該范圍內(nèi)的建筑物會受很大影響，而次影響區(qū)域范圍內(nèi)的沉降曲線較緩和，沉降量較小，對建筑物的影響也比較小。對于三角形沉降，其預測曲線如圖2-4 (a)所示，曲線在距離越坑邊緣2倍的開挖深處發(fā)生轉(zhuǎn)折，由主影響區(qū)域進入次影響區(qū)域，沉降比值為0.1。圖2-4 (b)為凹槽型沉降預測曲線，曲線分為三段折線，主影響區(qū)內(nèi)兩條直線，次影響區(qū)域內(nèi)的一條直線，最大沉降點出現(xiàn)在在距離墻后0.5He位置處，貼近墻體處的沉降值為最大沉降值的0.5倍，主次沉降區(qū)域轉(zhuǎn)折點處的沉降比仍為0.1，其中He為開挖深度。
綜上所述，可將坑外土體的豎向沉降模式歸納為三角形和凹槽型兩種基本模式，如圖2-5所示，兩種形式的主要特點為：（1）三角形，即坑外土體的沉降最大值發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)邊上，且隨距離支護結(jié)構(gòu)的距離的增加而減小，如圖2-5 (a)。（2)凹槽型，坑外土體的沉降最大值并非在支護結(jié)構(gòu)邊上，而是發(fā)生在距離支護結(jié)構(gòu)一定距離的位置處，如圖2-5 (b).然而，許多基坑的坑外地表的沉降并非簡單的某種模式，而是這兩個基本模式的組合，需要根據(jù)具體情況具體分析。
2.2.1支護結(jié)構(gòu)變形模式
支護結(jié)構(gòu)的變形和位移主要表現(xiàn)為兩個方面：支護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形和支護結(jié)構(gòu)的豎向位移。對于懸臂支護基坑，開挖較淺，還未設(shè)支撐時，不論是剛性支撐還是柔性支撐，支護結(jié)構(gòu)變形均表現(xiàn)為三角形分布，即墻頂位移最大，支護結(jié)構(gòu)繞底部一下某一點向坑內(nèi)旋轉(zhuǎn)。有內(nèi)支撐基坑加設(shè)內(nèi)支撐以后，隨著開挖深度的增加，側(cè)向變形表現(xiàn)為墻頂位移不變，墻體中部向坑內(nèi)突出。剛性支護結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)為平動和轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動包括繞支護結(jié)構(gòu)頂部的轉(zhuǎn)動和繞支護結(jié)構(gòu)底部的轉(zhuǎn)動；柔性支護結(jié)構(gòu)的變形除了平動和轉(zhuǎn)動外還有支護結(jié)構(gòu)的撓曲變形。支護結(jié)構(gòu)的豎向位移在實際工程中危害較小，所以常被忽略。由于開挖時釋放了土體的自貫應力，支護結(jié)構(gòu)一般在土體的帶動下有一定的浮起，這給基坑穩(wěn)定、地表沉降和支護結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定帶來了一定危害，在軟土地基中表現(xiàn)的尤為突出。
國內(nèi)外許多學者已經(jīng)對圍護結(jié)構(gòu)的變形模式做了較多的研究，并通過對工程實例分析提出了相應的支護結(jié)構(gòu)變形模式。Peck[48l認為，基坑開挖后，支護結(jié)構(gòu)一般先處于懸臂狀態(tài)，此時支護結(jié)構(gòu)變形最大處一般發(fā)生在支護結(jié)構(gòu)頂部；而隨著開挖的進行以及支撐的架設(shè)，護結(jié)構(gòu)的最大位移則逐漸下移。Clough等人認為內(nèi)支掉和貓拉系統(tǒng)的基坑JI"?挖所引起的園護結(jié)構(gòu)變形形式可分為三種，如圖2-7所示，即，（a)懸臂式，在開挖初期閩護結(jié)構(gòu)頂部尚未設(shè)支撐而發(fā)生類似懸臂梁變形的位移；（b)深槽向內(nèi)位移，在支撐設(shè)置上之后，頃護結(jié)構(gòu)頂部橫向位移被限制，使圍護結(jié)構(gòu)中部產(chǎn)生向內(nèi)凹陷的變形形態(tài)；（c)上述兩形態(tài)的組合。
平面彈性地基梁法的原理為：假定支護結(jié)構(gòu)處于平面應變受力狀態(tài)，計算時采取單位寬度的支護結(jié)構(gòu)作為研究對象，作為豎向放置的彈性地基梁，其支座均視為彈黃支座，其中，支撐與鋪桿也簡化為彈黃支座，坑內(nèi)開挖面以下的土體亦采用彈簧進行模擬，而坑外土體的水壓力則視為外部施加于地基梁上，從而通過系打?有限元的方法即可計算彈性地基梁的內(nèi)里和變形。
在具體計算過程中，可將地基梁劃分為若千個單元，分別對每個單元進行上述公式的計算，利用系桿有限元法進行求解。地基梁在進行單元劃分的時候，應充分考慮開挖深度、地下水位線、地層的分布、內(nèi)支撐的位置等因素。同時，為了保證支護結(jié)構(gòu)在開挖的各個階段都滿足強度和剛度要求，需要計算開挖、架設(shè)內(nèi)支撐等各個階段的內(nèi)力以及變形，計算中還要考慮到邊界條件以及荷載形式的變化。
3.1三維快速拉格朗日法基本原理.................................27
3.2數(shù)值模擬本構(gòu)模型討論.................................33
3.3模型的建立及性狀模擬.................................35
4軟化速度對深基坑開挖失穩(wěn)破壞的影響...............45
4.1不同軟化速度的選取.................................45
4.2對無支護基坑失穩(wěn)破壞的影響.................................46
5支護結(jié)構(gòu)嵌固深度對基坑開挖失穩(wěn)破壞的影響...............77
5. 1建模與計算.................................77
5.2計算結(jié)果對比分析.................................78
5. 3本章小結(jié).............................................90
5支護結(jié)構(gòu)嵌固深度對基坑開挖失穩(wěn)破壞的影響。
將深基坑的開挖看作是平面應變問題進行分析。由于基坑的對稱性，取一半模型進行模擬計算。模型尺寸為40mX50m。模型示意圖見圖5-1，基坑開挖部分為紅色，開挖深度14m。綠色部分為支護結(jié)構(gòu)，寬1m，嵌固深度分別取5m、8m、
支擋結(jié)構(gòu)的嵌固深度不同，結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性也不一樣，基坑開挖時，對基坑邊坡提供的支護約束也不一樣。由圖5-2、圖5-3可以看出不同嵌固深度的基坑模型邊坡的破壞特點以及支護結(jié)構(gòu)本身的破壞形式：支護結(jié)構(gòu)的存在使基坑破壞時邊坡出現(xiàn)多條近乎平行的滑移線，且主滑移線都延伸至基坑底部水平線以下，基坑底部由于支護結(jié)構(gòu)的變形擠JJi,部分土體發(fā)生剪切破壞。在計算到10000步時，支護結(jié)構(gòu)基底以上一段距離處出現(xiàn)第一個屈服破壞點，隨著計算的進行，嵌固深度超過11米的支護結(jié)構(gòu)會在基底以下一定距離處出現(xiàn)第二個屈服破壞點。支護結(jié)構(gòu)嵌固深度小于8米時，由于支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞時結(jié)構(gòu)底部對土體的擾動，基坑邊坡破壞范圍一直擴展至支護結(jié)構(gòu)底部，嵌固深度大于8米時，破壞范圍的深度不再一直向下擴展至支護結(jié)構(gòu)底部。為分析固嵌深度不同時，基坑邊坡的破壞區(qū)域，統(tǒng)計5種固嵌深度情況下模型計算到20000步時，滑移線以上土體所占的面積以及破壞區(qū)域的水平范圍以及深度，統(tǒng)計結(jié)果如表5-4所示。
圖5-6為基坑邊坡在支護結(jié)構(gòu)嵌固深度不同的情況下的破壞深度，當支護結(jié)構(gòu)嵌固深度小于8米時，由于支護結(jié)構(gòu)身穩(wěn)定性不夠，基坑開挖后土體的滑移又使其對底端土體產(chǎn)牛.的擾動破壞，所以當嵌固深度由5米增加到8米后，邊坡的破壞深度反而19.11米增加至21.19米。當嵌同深度增加到11米后，邊坡破壞深度降至18.7米，隨著嵌固深度的繼續(xù)增加，破壞深度穩(wěn)定在18.8米左右。
由于土體軟化速度適中，在基坑開挖失穩(wěn)破壞的過程中，滑移土體中存在完整土體糧體滑移的現(xiàn)象，監(jiān)測點是否位于完整土體之上會導致沉降最差別較大，因此地表監(jiān)測點的沉降規(guī)律不是很明顯，從A3監(jiān)測點仍可以看出嵌固深度越淺，沉降量越大的趨勢。同樣山于支護結(jié)構(gòu)達到強度極限后發(fā)牛屈服破壞的原因，導致基坑邊坡失穩(wěn)后的支護結(jié)構(gòu)變形更加復雜，沒有了明顯的規(guī)律。從閣5-10支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測點C3的側(cè)移過程和側(cè)移速度還可以看出，嵌固深度為17米時，C3點的側(cè)移值一直最小，嵌固深度為5米時，該點的側(cè)移值越大。下一個小節(jié)將對支護結(jié)構(gòu)的強度進行提高，以此來避免支護結(jié)構(gòu)的屈服斷裂影響其側(cè)向變形規(guī)律。
6結(jié)論
1、軟化速度對基坑變形破壞的影響
(1)軟化速度對無支護基坑變形破壞的影響
①當軟化速度較快時，基坑邊坡失穩(wěn)滑移范圍較大，破壞形式為土體“破碎坍塌”；當軟化速度較慢時，基坑邊坡失穩(wěn)破壞范圍較小，滑移面以上存在未破碎的土體發(fā)生“整體滑移”。②軟化速度較慢時，邊坡的滑移線接近直線，滑移線最低點在基坑坡角處；軟化速度較快時，邊坡滑移線近似于圓滑的拋物線，滑移線最低點延伸至基坑底部水平線以下。③滑移范圍內(nèi)土體的應力路徑在達到強度破壞線之后的過程中，隨平均應力q的減小，軟化速度越快，偏應力q降低的越快，即單元抗剪承載力降低的越快。
(2)軟化速度對有支護基坑變形破壞的影響
①軟化速度越快基坑邊坡破壞范圍越大，軟化速度越慢基坑邊坡破壞范圍越小�；拥撞靠拷ёo結(jié)構(gòu)的土體破壞范圍也是隨軟化速度的降低而減小。②軟化速度較快時，破壞形式為“破碎坊塌”，隨著軟化速度降低，破壞形式逐漸變成“整體滑移”。③支護結(jié)構(gòu)的橫向變形也明顯受土體軟化速度的影響，監(jiān)測點水平變形值隨土體軟化速度的變慢而減小。
土體的軟化速度快慢會直接影響基坑邊坡破壞范圍的大小以及破壞形式是屬于“破碎坍塌”還是“整體滑移”。對于“破碎坍塌”，支護時要著重考慮支護體系的整體穩(wěn)定性，防止破壞范圍的擴大和支護結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)。而對于“整體滑移”，在支護時要注意加強坡角處支護結(jié)構(gòu)的強度，防止邊坡整體滑移導致支護結(jié)構(gòu)的剪切斷裂，當采用錨索支護時，應注意滑移線處剪切面處的錨索是否能夠承受滑移土體的剪切作用。設(shè)置足夠的嵌固深度是保證支護結(jié)構(gòu)和基坑的穩(wěn)定的前提，合理的嵌固深度大約為一倍的開挖深度，再繼續(xù)增加嵌固深度，只會造成材料的浪費和成本的提高。同時，在保證支護結(jié)構(gòu)自身承載力和基坑穩(wěn)定的前提下，盡量避免支護結(jié)構(gòu)強度的過多富余，以防止基坑在特殊情況下失穩(wěn)破壞時，由于支護結(jié)構(gòu)的擾動，將破壞區(qū)域擴大到更深更大的范圍。
參考文獻（略）
本文編號：36395
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