不同设计参数取值对基坑工程设计的影响研究

赵　鑫, 张良平, 程方权, 强鲁斌, 麻　斌

(长江岩土工程总公司(武汉),湖北 武汉　430010)

0　引言

基坑工程的稳定性问题长久以来都是岩质边坡的一个重要研究课题,因为它涉及到民建工程、大型水利工程、矿山开采工程等许多工程领域,所以能否正确评价基坑开挖工程的稳定性直接影响到建设资金的投入回报以及施工的安全保障。通过几十年学者对其不懈的努力,基坑工程的稳定性分析方法发展很多,但是每种方法都有自己一定的适用条件,这是因为每种方法都有着自己的特点。因此如何建立合理的数值分析模型以适应具体基坑工程的地质环境条件,精确地分析它的精度需求,进而有效合理地选取与实际情况相适应的基坑工程稳定性分析方法,是一项值得研究的重要课题[1]。

1　不同应力路径下土体的变形性状对比分析

试验土样取自桂林市典型的融县组石灰岩残积红粘土,进行两组试验:A组卸荷试验(轴向应力σ1保持不变,侧向应力σ3逐渐减小);B组常规试验(侧向应力σ3保持不变,轴向应力σ1逐渐增加),对比分析应力路径的不同对土体变形特性的影响[2]。

为了更加直观地对不同应力路径下的土体应力—应变关系曲线加以比较,现将同一固结压力下的两组试验应力—应变关系曲线绘制在一起,如图1-图2为固结压力100 kPa关系曲线、图3-图4为固结压力300 kPa关系曲线。从图中可以看到,土体的应力—应变关系曲线在剪切的初始阶段近似表现为直线关系,但是随着应力差的持续增加,土体的应力—应变关系曲线便会表现出明显的非线性关系。从图中还能够看出,土体在发生破坏时的应变基本上是在15%,可以说明在三轴试验中,常规应力路径下的试验采用的以应变15%的主应力差作为破坏点同样也适用于卸荷应力路径下的土体。因为考虑到(σ1-σ3)-ε1曲线在出现应力差峰值后的点已经不能够满足Δσ1=0的先决条件,所以只考虑出现峰值点前(包括峰值点)的情况,来进行卸荷应力路径条件下的土体变形特性的分析。

图1　围压为100 kPa时应力—应变关系曲线

图2　围压为100 kPa时ε1/(σ1-σ3)-ε1关系曲线

图3　围压为300 kPa时应力—应变关系曲线

图4　围压为300 kPa时ε1/(σ1-σ3)-ε1关系曲线

从上图可以看出,土体(σ1-σ3)-ε1关系曲线在卸荷或常规应力路径条件下,如果不考虑峰值点后的点,则其应力—应变关系基本上表现为双曲线关系,变化坐标后拟合的ε1/(σ1-σ3)-ε1的关系,均呈现出近似的线性关系;在同一固结压力下,相同的轴向应变下,卸荷应力路径条件下的极限强度总是低于常规应力路径条件下的极限强度,所以如果在基坑设计时采用常规试验取得的土体参数进行设计计算,对于基坑工程的施工是偏于危险的。同时,还需提出的是,各组曲线的初始切线斜率均随着固结压力的增大而增大。

2　基坑开挖工程有限元模型建立

基坑开挖的过程就是基坑内土体的竖直方向卸载和基坑侧向水平方向卸载的过程,这一土体卸载的过程改变了基坑内土体的初始应力状态,基坑侧向水平土体由于卸荷的作用,可能引起土体向坑内产生位移变形,而基坑底部的土体可能产生垂直向上的隆起,坑底隆起主要原因是因为竖直方向卸载减小了土体的初始地应力,坑底的隆起量随着开挖深度的不同而变化,在开挖初期土体仅仅发生可以恢复的弹性变形,此时坑底的中部隆起量最大,并且这种隆起量基本上不会产生坑侧土体向坑内的变形,随着开挖深度的加大,坑底土体产生不可恢复的塑性变形,而且坑侧土体也因为坑底的塑性变形与地面上的各种荷载的共同作用向坑内方向产生变形移动,同时使基坑周围的土体出现屈服区域,并且坑底土体的塑性隆起以及坑周土体的侧向位移使基坑周边邻近的地层出现沉降。

本次模拟计算采用FLAC3D程序进行:基坑的分析范围,长×宽×高=15 m×15 m×20 m,开挖长×宽×深=5 m×5 m×6 m,分三步开挖。为了对比分析进行土体三轴剪切试验在常规应力路径下与卸荷应力路径下得出的参数指标,故本次模拟计算中没有加入支护结构,表1为本次模拟试验采用的计算参数,本构模型采用摩尔—库伦模型[3](图5)。

表1　土体的计算参数

图5　网格及边界条件

3　数值分析结果

3.1　数值分析云图

数值分析云图见图6-图8。

3.2　采取不同参数计算结果对比分析(见表2)

表2　基坑侧向位移的对比数据

由基坑水平方向位移图(图8)可以看出,采用三轴卸荷试验取得的指标参数求得的水平方向的位移为7.09 mm,大于采用常规三轴试验取得的指标参数求得的计算结果6.00 mm。特别是在基坑周边的土体,在施工工艺与其他施工条件完全相同的情况下,用卸荷路径条件下三轴剪切试验获取的材料参数指标计算的最大水平方向变形是常规应力路径下三轴剪切试验获取的材料参数指标计算的最大水平方向变形的1.18倍。这一对比分析结果可以表明,在基坑开挖工程中,土体的侧向卸荷过程较普通的常规过程,其抗剪强度指标降低,也就是说土体的抵抗变形的能力也降低了。

图6　基坑竖向位移图

图7　基坑水平方向应力图

图8　基坑水平方向位移图

一般基坑支护体系设计的主要内容之一就是要考虑基坑土体的水平变形对邻近场地环境的影响。通过上述比较可以看出,采用三轴卸荷试验取得的指标参数计算的水平方向的变形量比常规三轴试验计算的水平方向的变形量增大了近18%,这一不小的差距不能忽视,尤其是对基坑邻近场地建筑物的水平移动以及竖向的沉降造成了不小的影响。

由基坑竖向位移图(图6)可以看出,卸荷指标计算的最大坑底隆起量为7.44 cm，常规指标计算的最大坑底隆起量为6.79 cm,坑周最大沉降,卸荷指标计算值为2.24 mm,常规指标计算值为2.08 mm。由图7基坑水平方向应力图可以看出,卸荷指标计算值为82.9 kPa,常规指标计算值为70.0 kPa。卸荷试验计算指标结果均大于常规试验指标计算结果。这一结果表明,基坑开挖工程中,侧向卸荷的过程对土体的应力—应变性状有着很深的影响。如果不考虑基坑土体的开挖卸荷过程对土体抗剪强度指标的影响,在实际工程中设计计算基坑支护体系时,将会使支护体系水平方向的变形以及基坑周围地表沉降的预测偏小。这对基坑支护体系本身的安全以及基坑邻近场地的安全稳定都将构成潜在的巨大隐患[4]。

4　结论

在基坑设计施工中,基坑的开挖是一个土体卸荷的过程,如果按照常规试验所得参数进行基坑支护设计,将违背土体真实的应力路径,势必会对基坑的稳定性计算产生误差,侧向卸荷应力路径下的三轴试验指标计算的坑周水平变形、水平方向土压力、坑底隆起量以及地面沉降均较常规应力路径下的三轴试验指标的计算结果偏大,其中坑周水平变形量前者是后者的1.18倍,水平方向土压力前者是后者的1.18倍。故如果在基坑工程支护结构的计算设计中,不考虑基坑开挖卸荷对土体本构关系及强度指标的影响将使支护结构上的土压力计算偏小,支护结构水平变形的预测偏于不安全。

参考文献:

[1]顾晓鲁,钱鸿缙,刘惠珊,汪时敏.地基与基础[M].3版.北京:中国建筑工业出版社，2003.

[2]赵鑫,陈学军.不排水条件下基坑卸荷土体变形机理研究(Ⅰ)[J].四川建筑科学研究,2010，36(5):117-119.

[3]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]赵鑫.卸荷条件下土体变形性状研究——以桂林地区红粘土为例[D].武汉：中国地质大学(武汉),2011.