基于非对称荷载作用下的基坑变形特性研究.pdf
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1、安徽科技学院学报,2 0 2 3,3 7(3):1 0 2-1 0 8 J o u r n a l o fA n h u iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yU n i v e r s i t y 收稿日期:2 0 2 2-0 5-0 6基金项目:国家自然科学基金(5 1 8 7 4 1 1 2);安徽省大学生创新创业训练计划项目(s 2 0 2 1 1 0 3 8 3 1 8 5)。作者简介:赵平(1 9 8 9-),男,安徽宣城人,硕士,讲师,主要从事岩土工程研究。基于非对称荷载作用下的基坑变形特性研究赵 平1,王少航1,程雪芬2(1.铜陵学院 建筑
2、工程学院,安徽 铜陵 2 4 4 0 0 0;2.南京财经大学 工商管理学院,江苏 南京 2 1 0 0 2 3)摘 要:目的:研究非对称荷载作用下的基坑变形特性。方法:采用数值模拟方法与现场监测方法研究非对称荷载作用下的深基坑开挖引起的地连墙水平变形规律,并利用数值模拟方法研究偏压荷载q数值的改变对内支撑轴力及坑外地表沉降的影响。结果:数值计算结果与现场监测数据吻合良好,偏压荷载q的增加不仅会导致增大近超载侧围护结构的受力和变形,还会引起远侧围护结构顶部出现远离基坑的位移;基坑变形特性对偏压荷载q较敏感,随着偏压荷载q不断增加,内支撑轴力和偏压侧地表沉降均有增大的趋势。结论:在偏压基坑工程设
3、计和施工过程中要重视偏压荷载q给基坑开挖带来的不利影响,必要时可采取相关措施减小偏压荷载,进而减小基坑开挖过程的施工风险。关键词:深基坑;地表沉降;地连墙;偏压荷载;轴力中图分类号:T D 3 5 3文献标志码:A文章编号:1 6 7 3-8 7 7 2(2 0 2 3)0 3-0 1 0 2-0 7开放科学(资源服务)标识码(O S I D):D O I:1 0.1 9 6 0 8/j.c n k i.1 6 7 3-8 7 7 2.2 0 2 2.0 0 4 0D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f o u n d a
4、 t i o np i tu n d e ra s y mm e t r i c l o a dZ HAOP i n g1,WANGS h a o h a n g1,CHE NGX u e f e n2(1.C o l l e g eo fA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,T o n g l i n gU n i v e r s i t y,T o n g l i n g2 4 4 0 0 0,C h i n a;2.C o l l e g eo fB u s i n e s sA d m i n i s t r a t i o n,
5、N a n j i n gU n i v e r s i t yo fF i n a n c ea n dE c o n o m i c s,N a n j i n g2 1 0 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v e:T os t u d yt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f f o u n d a t i o np i tu n d e ra s y mm e t r i c l o a d.M e t h o d s:T h eh o r i z
6、o n t a l d e f o r m a t i o nl a wo f t h ed i a p h r a g m w a l l c a u s e db yt h ee x c a v a t i o no fd e e pf o u n-d a t i o np i tu n d e ra s y mm e t r i c l o a d i ss t u d i e db yu s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o da n df i e l dm o n i t o r i n gm e t h o d,
7、a n dt h e i n f l u e n c eo f t h ec h a n g eo f t h ev a l u eo fe c c e n t r i c l o a dqo nt h ea x i a l f o r c eo f t h e i n n e rs u p p o r ta n dt h es u r f a c es e t t l e m e n to u t s i d e t h ep i t i s s t u d i e db yu s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d.R
8、 e-s u l t s:T h en u m e r i c a l r e s u l t sa r e i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h e f i e l dm o n i t o r i n gd a t a.T h e i n c r e a s eo fb i a sl o a dqw i l l n o t o n l y i n c r e a s e t h e s t r e s s a n dd e f o r m a t i o no f t h e r e t a i n i n gs t r u c t u r en e
9、a r t h eo v e r l o a ds i d e,b u t a l s oc a u s e t h ed i s p l a c e m e n to f t h et o po f t h er e t a i n i n gs t r u c t u r ef a ra w a yf r o mt h ef o u n d a t i o np i t.T h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ef o u n d a t i o np i ta r es e n s i t i v et
10、 ot h ee c c e n t r i c l o a dq.w i t ht h e i n-c r e a s i n go f t h e e c c e n t r i c l o a dq,a n d t h e a x i a l f o r c eo f t h e i n n e r s u p p o r t a n d t h e s u r f a c e s e t t l e m e n t o n t h ee c c e n t r i cs i d eb o t ht e n dt o i n c r e a s e.C o n c l u s i o n
11、:I nt h ep r o c e s so fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f f o u n d a t i o np i tw i t he c c e n t r i cp r e s s u r e,w e s h o u l dp a ya t t e n t i o n t o t h e a d v e r s e i m p a c t o f e c c e n t r i cp r e s s u r e l o a dqo nf o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o n.I
12、 fn e c e s s a r y,r e l e v a n tm e a s u r e sc a nb e t a k e nt or e d u c e t h ee c c e n t r i cp r e s s u r el o a d,s oa s t or e d u c e t h ec o n s t r u c t i o nr i s k i nt h ep r o c e s so f f o u n d a t i o np i t e x c a v a t i o n.K e yw o r d s:D e e pf o u n d a t i o np i
13、 t;S u r f a c es u b s i d e n c e;D i a p h r a g m w a l l;B i a s l o a d;A x i a l f o r c e城市建设对基坑变形控制有着严格要求,深入研究深基坑开挖引起的支护结构和土体变形特性对于基坑工程防灾减灾具有重要意义1-3。近年来,不少学者对相关问题开展了多方面研究,并取得一些成果4-6。现场监测方面,孔茜等7采用现场监测方法研究了钢支撑施工时间滞后对围护桩水平位移的变化规律的影响;徐前卫等8开展了超深圆形基坑施工引起的变形和内力的监测结果对比分析;李顺群等9采用现场监测手段研究了基坑开挖对邻近隧道变形
14、的影响。理论计算方面,周海祚等1 0提出了基坑倾斜桩支护的抗倾覆与整体稳定安全系数的计算方法;刘建文等1 1采用M i n d l i n解计算并建立了基坑开挖对隧道影响的相关理论模型;李涛等1 2基于W i n k l e r弹性地基梁理论,对深基坑内支撑拆除时支护结构的水平位移计算方法展开了研究。数值模拟方面,王锐松等1 3采用A B AQU S软件对基坑开挖进行了建模,并对粉土基坑柔性支护结构的变形特征展开了深入研究;吕松梅等1 4结合数值模拟手段,研究了深基坑开挖引起的支护结构的变形特征;陈松等1 5针对富水砂层深基坑降水方案,建立了基坑开挖降水的全过程三维计算模型。以上研究对象多数为
15、地铁车站深基坑工程,而对管廊基坑工程在非对称荷载条件下开挖引起的变形特性的研究不多见。综合管廊项目大多位于城市的中心区域,人口密度较大,在建造过程中比较容易对邻近建(构)筑物产生影响1 6-1 7。此外,临近基坑的非对称超载会对基坑产生不利影响,甚至引起基坑破坏1 8。本研究采用数值模拟与现场监测方法对非对称荷载作用下管廊基坑工程开挖引起的地连墙水平变形规律以及偏压荷载q的改变对内支撑轴力及坑外地表沉降的影响开展了研,可为类似工程的设计和施工提供借鉴。1 工程概况本研究对象为合肥市某综合管廊明挖段基坑工程。基坑截面见图1。基坑右侧作为施工场地,距离坑外D=5m处堆放有钢筋等各种施工材料。根据施
16、工单位测算,施工材料将在基坑右侧7m的范围内产生q=1 7k P a的地面超载,这属于非对称荷载作用下的基坑开挖工程。工程相关概况具体内容参见文献1 9。此外,根据岩土工程勘察报告,简化后的土层为5层(图1)。土体力学参数如表1所示。图1 基坑典型截面示意图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t y p i c a l s e c t i o no f f o u n d a t i o np i t301第3 7卷第3期赵 平,等:基于非对称荷载作用下的基坑变形特性研究表1 计算模型土层力学参数T a b l e1 M e c h a n i
17、c a l p a r a m e t e r so f c a l c u l a t i o nm o d e l s o i l l a y e r 土层名称E 5 0 r e f/MP aE o e d r e f/MP aE u r r e f/MP av/(k N/m3)c/(k N/m2)/()杂填土3.03.09.00.3 82 0.067.5可塑性黏土5.15.11 5.30.3 32 0.04 01 4.0硬塑性黏土1 2.01 2.03 6.00.3 02 0.44 21 5.0全风化砂岩1 6.01 6.04 8.00.3 02 0.83 71 5.9强风化砂岩6 1
18、0.06 1 0.018 3 0.00.2 02 3.58 82 4.52建模与计算2.1 M I D A S/G T SN X软件在基坑工程中的运用M I D A S/G T SN X软件在基坑工程的数值模拟中被广泛采用2 0-2 1。周政等2 0结合星火站站房基坑工程,运用该软件分析了基坑在邻域局部超大附加荷载作用下变形的空间效应;肖罗发等2 1运用该软件建立了模型,研究了邻近基坑的建筑物对基坑围护结构的水平位移的影响和坑角效应对位移的影响。本研究数值模拟部分选用M I D A S/G T SN X软件进行相关分析。2.2 基本假定由于施工过程和现场工程条件比较复杂,为便于计算,本研究基本
19、假设参见文献1 9。2.3 建立模型由于基坑长度约为宽度的1 0 3倍,呈窄长条形,可以简化为二维平面应变问题进行分析2 2-2 3。考虑工程实际情况,本研究建立的整体二维模型宽(x)、高(y)分别为4 8、3 0m。模型坐标系如图2所示,模型边界约束条件、接触面的特性设置及地下连续墙、基坑内支撑特性与文献1 9 保持一致,土体采用修正摩尔库伦本构关系。整体网格划分情况如图2所示。图2 二维有限元模型F i g.2 T w od i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm o d e l2.4 模拟施工施工过程分为5个工况。工况(1):进行初始地
20、应力分析与位移清零;工况(2):地下连续墙施工;工况(3):开挖1;工况(4):开挖2,增加第一道支撑;工况(5):开挖3,增加第二道支撑。需要说明的是,第1次开挖深度为1m,第2次和第3次开挖深度均为3m。3 数值模拟结果与现场实测对比分析数值模拟方法的优点有很多,例如,可以较好地模拟基坑施工过程,费用合理,以及可以对基坑开挖带来的影响进行预测等优点,此外,现场监测可以动态监测周边环境与基坑的相互影响2 4-2 6。图34分别为基坑开挖完成时地下连续墙A和B的水平位移模拟值与监测值对比曲线图,通过对比分析得出:超载增大了近超载侧地下连续墙B的受力和变形;超载会引起远侧地连墙A顶部出现远离基坑
21、的位移,此结论与王鹏2 7研究结论相一致;模拟值与实测值比较接近,曲线的变化规律基本一致,从而说明本次数值模401 安徽科技学院学报 2 0 2 3年拟中所选修正摩尔库伦本构模型及参数描述土体力学行为的有效性。此外,在图3中,最大水平位移模拟值约为6.2mm,监测值约为7.9mm。此外,开挖完成时,在地连墙A顶部出现了朝向基坑外侧的变形,这可能是由于该基坑受到非对称的地表超载影响造成的。图4中,最大水平位移模拟值与监测值分别约为8.5、9.8mm。通过对比可知,最大水平位移方面,左侧地下连续墙比右侧小,差值约为2.3mm,这可能是由于偏压荷载的作用,使得偏压侧地下连续墙水平位移向基坑内部增加,
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