软土狭长深基坑施工三维精细化模拟及二维等效分析方法.pdf
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1、168020238Building ConstructionSCIENTIFICRESEARCH究科研学软土狭长深基坑施工三维精细化模拟及二维等效分析方法周泉吉上海建工集团工程研究总院上海201114摘要:针对上海软土地区典型狭长深基坑建立三维精细化模型计算分析,采用修正剑桥本构并考虑结构-地层相互作用,分析结果表明,精细化数值模拟可以较好地反映基坑工程的力学性态;通过建立相应的二维等效分析方法,并结合三维精细化模拟得出的狭长基坑空间效应PSR分布规律,通过二维等效分析即可推断整个三维模型的分析结果,从而大幅提高分析效率。新方法解决了传统有限元分析时,过于简化的模拟无法反映基坑复杂特性,过于精
2、细化的模拟则建模代价过高、分析效率较低,难以满足设计方案变更、施工风险预测的时效性要求的问题,为有限元分析提供了一种新的思路。关键词:软土地区;狭长深基坑;精细化模拟;空间效应;平面应变比中图分类号:TU753文献标志码:A文章编号:1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 6 8 0-0 6DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.0533DRefined Simulation and2DEquivalent AnalysisMethodforConstructionofNarrowandDeepFoundationPitsinSoftSoilZHOUQua
3、njiEngineering General Institute of Shanghai Construction Group,Shanghai 201114,ChinaAbstract:A 3D refined model is established for the calculation and analysis of typical narrow and long deepfoundation pits in the soft soil area of Shanghai.The modified Cambridge constitutive model is adopted,and t
4、hestructure-stratigraphic interactionis considered.The analysis results show that the refined numerical simulationcan better reflect the mechanical properties of foundation pit engineering;by establishing a corresponding2D equivalent analysis method and combining it with the spatial effect PSR distr
5、ibution law of narrow and longfoundation pits obtained through 3D refined simulation,the analysis results of the entire 3D model can be inferred,thereby greatly improving the analysis efficiency.The new method solves the problem of traditional finite elementanalysis where overly simplified simulatio
6、ns cannot reflect the complex characteristics of foundation pits,whileoverly refined simulations resulting in high modeling costs and low analysis efficiency,making it difficult to meet thetimeliness requirements of design scheme changes and construction risk prediction.It provides a new approach fo
7、rfinite element analysis.Keywords:soft soil areas;narrow and deep foundation pit;refined simulation;spatial effects;plane strain ratio城市更新建设中,针对既有路网系统的提质增效势在必行,中心城区往往采用地下穿越的方式实现快速化提升。这类工程项目的开展导致狭长深基坑大量涌现,这些基坑宽度普遍在1 5 3 0 m,开挖深度一般在2 0 m以上,而长度可达数百米。上海地区软土流变特性显著,必须采用考虑时空效应的基坑动态设计施工方法。由于地处城市核心区,周边环境复杂,工
8、程实施面临着较高的安全风险,在动态设计基金项目:上海建工集团股份有限公司2 0 2 2 年重点科研项目课题(2 2 JCSF-13-2)作者简介:周泉吉(1 9 8 9 一),男,硕士,工程师通信地址:上海市闵行区新骏环路7 0 0 号(2 0 1 1 1 4)电子邮箱:收稿日期:2 0 2 3-0 4-2 5施工要求下参建方必须在施工过程中能够快速判定基坑安全状态,准确把握基坑风险的发展趋势。目前,一般将狭长基坑简化为平面问题加以分析,这对于设计是可行且偏安全的,但缺乏对基坑空间效应的考虑,无法做到对基坑三维力学性态的全面把握,不利于实际施工过程的安全管理。采用三维精细化数值模拟可以在一定程
9、度上解决上述问题,但建模过程复杂,计算成本过高,难以快速有效把握基坑实时安全状态,不利于实际工程应用。相关研究提出采用平面应变比(PSR)的概念来反映基坑的空间效应 2 ,并确立了针对狭长深基坑采用二维平面分析方法的适应性 3-4 。刘念武等 5 发现边角效应能够减小侧向位移的平面应变比。徐中华等对上海地区大量地下连续墙实测资料统计分析,具有很高的参考价值。本文根据中春路节点工程等上海典型狭长深基坑,建筑施工第4 5 卷第8 期1681维等效分析方法维精细化模拟及二周泉吉:软土狭长深基坑施工建立典型尺寸下的狭长深基坑三维精细化模型,采用了相对更适用于上海软土的修正剑桥本构,考虑了孔隙比随深度的
10、非线性变化,墙-土、桩-土之间均采用接触模拟,水平竖向支撑结构体系均采用梁单元,从而考虑结构-地层的相互作用、共同作用。首先,验证精细化数值模拟结果与工程实际经验的符合程度,随后探究狭长深基坑空间效应PSR分布规律;其次,建立二维等效分析方法并对其等效性加以验证;最后提出了一种工程建设事前三维精细化模拟、事中二维等效分析结合空间推断的实用分析方法,从而实现狭长深基坑变形空间分布及安全状态的快速实时分析。1工程概况上海漕宝路快速路新建工程中春路节点包括中春路明挖段及蒲汇塘工作井。中春路明挖段位于中春路与蒲汇塘交叉口,西接嘉闵高架,东至蒲汇塘工作井,长3 7 8.2 m,基坑宽度1 3.8 3 3
11、.0 m,基坑深度1.3 2 1.3 m;蒲汇塘工作井位于中春路以东、蒲汇塘南侧,内尺寸2 3 mX22m,基坑开挖深度2 8 m。其中,4 区基坑各尺寸相对均一,其深度均在2 0 m左右,宽度均在1 5 m左右,该段长度约1 0 0 m,围护结构形式也通长一致布置,基坑平面布置、围护结构剖面如图1 所示。栈桥板4区图1中春路节点工程基坑平面布置及围护结构部面示意为方便研究讨论,以中春路4 区明挖段围护结构剖面为基础,并总结多个上海市地下立交、地铁车站狭长基坑一般做法,本文以2 0 m深、1 2 0 m长的狭长深基坑为典型算例,如图2 所示。围护结构采用1 m厚、4 0 m深地下连续墙,单次开
12、挖深度4 m,分5 步开挖,设5 道水平支撑,首道撑采用0.8 m0.8m矩形断面混凝土支撑,余下支撑均采用e609mm钢管支撑,支撑竖向间距4 m,水平间距8m,端部设置2 道角撑,立柱桩沿纵向8 m间隔布置,采用e800mm钻孔灌注桩,立柱采用e609mm钢管桩。XX88888 8888888120图2典型狭长基坑支撑平面布置示意2典型狭长基坑的三维精细化模拟2.13三维精细化模型建立为降低边界效应,模型两侧边界距离坑边1 2 0 m(4 倍墙深),模型底距离地下连续墙底8 0 m(2 倍墙深)。模型除顶面其余均施加法向位移约束。为确保计算精度同时降低规模,坑内土体网格尺寸为0.5 2.0
13、 m,坑边2 0 m范围过渡网格尺寸2 5 m,2 0 m 以外网格尺寸5 1 0 m渐进稀疏(图3)。262m362m120m图3三维精细化模型总体模型考虑地层分布、土体加固、围护墙、支撑结构、立柱桩等关键要素。由于工期紧凑,自开挖始1 个月内即完成底板浇筑,故不考虑降水影响。地层采用实体单元模拟,采用修正剑桥本构(MCC)可以合理地反映单调受载正常固结黏土的应力应变行为,相对于摩尔-库伦本构(M-C)更为适用于上海软土地区基坑开挖模拟,本文MCC本构参数主要借鉴华东院,具体取值如表1 所示。包括重度、弹性模量E、泊松比、黏聚力c、内摩擦角、初始孔隙比eo、侧压力系数Ko、压缩指数入、回弹指
14、数K。表1 上海典型土层的MCC及M-C本构参数土层y/(kN/m)E/MPaVc/kPa(。eoKoK180.3010320.940.470.0830.00418.850.3010320.940.470.1100.006317.850.357291.180.520.1270.00817.150.4015181.430.690.1370.00918.250.3515321.030.470.1150.00519.800.3047300.710.500.0810.00519.25950.306.7330.760.4518.450.308230.940.610.1410.00820.151620.3
15、01370.680.40地层考虑土体孔隙比沿深度的非线性分布特性,e-lnp平面内K状态固结方程见式(1)。ek=ei+(k-a)ln1+(q/pM)-lnp(1)式中,q、p 为土体的偏应力和平均主应力,M为临界状态应力比。坑底土体加固均处于第层土位置,采用摩尔-库伦本构,具体参数取值如表2 所示,包括加固土体重度es、弹性模量Ees、泊松比ves、黏聚力ces、内摩擦角es,剪胀角Ves。168220238Building Construction维精细化模拟及二维等效分析方法周泉吉:车软土狭长深基坑施工表2 加固土体M-C本构参数土层e/(kN/m)E/MPaVeco/MPa18.981
16、06.250.250.22512.5为考虑地层与结构的共同作用,地下连续墙与土体、立柱桩与土体之间相互作用采用摩擦接触模拟。地下连续墙、立柱桩采用实体单元模拟,采用C30混凝土并看作弹性介质,考虑到水下灌注施工质量及墙体受拉侧开裂等实际,弹性模量折减到8 0%,泊松比取0.2。水平及竖向支撑结构体系均采用三维梁结构单元模拟,考虑施工精度误差等,首道撑采用C35混凝土弹性模量折减到8 0%,钢支撑采用6 0 9 mm钢管桩折减到6 0%(图4)。20m120m40m图4围护结构模型结构与地层接触面参数包括极限侧摩阻力tmax和摩擦系数,分别采用上海市岩土工程勘察规范的灌注桩极限侧摩阻力标准值及国
17、家建筑桩基技术规范关于桩基承台底与地基土之间的摩擦系数建议值(表3)。表3 各土层的接触面参数参数层层层层6层层层Tmax/kPa202022356275550.300.250.250.350.300.400.35同时,考虑基坑周边的道路交通及邻近大型施工设备影响,模型地表均布3 0 kPa,邻近坑边2 0 m范围内额外施加均布2 0 kPa。整个分析过程考虑了地下连续墙施工中因墙体置换土体所导致的一部分地层变位,随后按照先撑再挖循环展开,计算工况设置如表4 所示。2.2计算结果分析初始地应力平衡是岩土地下工程数值模拟的第一步也是关键一步,直接决定了后续计算分析的正确合理与否,本文初始地应力平
18、衡达到1 0-m,如图5(a)所示,满足分析要求。通过基坑的最终变形云图分布、立柱隆沉大小以及围护结构变形分布等(图5(b)图5(d),可以总体判断本次模拟结果的各项变形趋势均能符合工程实测经表4 计算步序工况设置步序工况步序工况01初始地应力平衡07第3 道支撑施作02地下连续墙立柱施作08第3 层土开挖03第1 道撑施作09第4 道支撑施作04第1 层土开挖10第4 层土开挖05第2 道支撑施作11第5 道支撑施作06第2 层土开挖12第5 层土开挖验,能够体现狭长深基坑的典型力学性态,具备进一步研究讨论的价值。(a)地应力平衡达到1 0-9 m(b)基坑最终总体变形U.U2人,(c)立柱
19、隆沉最终变形(d)围护结构最终总体变形图5地应力平衡情况及地层-结构最终变形以狭长基坑长边中段位置为例,提取地表沉降曲线如图6(a)所示,可见地表沉降在地下连续墙施工完成后表现为典型的“三角形”分布,随着开挖的不断进行,逐渐发展为典型的“凹槽形”分布,开挖至坑底距离坑边6 m左右位置出现最大沉降量3 4.5 mm。坑边距离/M05101520253035404550556065707580859095100105110115120125-5-10W山/1520-25地下连续墙立柱桩施作第3 层土体开挖-30第1 层土体开挖第4 层主体开挠35第2 层主体开挠一金一第第5 会主体开挠-40(a)
20、狭长基坑长边中段地表沉降曲线坑边距离/m5101520253035404550556065707580859095100105110115120125O5-10一1520地下连续墙立柱桩施作第3 层土体开挖-30第主体开挖第4 层主体开接-35第2 层主体并挠第5 层主体并挖40(b)狭长基坑短边中段地表沉降曲线图6狭长基坑长短边中段地表沉降曲线建筑施工第4 5 卷第8 期1683维精细化模拟及二维等效分析方法周泉吉:车软土狭长深基坑施工狭长基坑短边中段位置的地表沉降曲线如图6(b)所示,地下连续墙施作完成后坑边出现最大沉降8.9 mm,随着开挖的不断进行,地表沉降的形态逐渐由“三角形”分布向
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