地下建筑结构
4.分步开挖支护计算模型
对基坑放坡开挖BC段,可以采取对开挖土体和基坑围岩土体分 别建模,建模中用到基本单元的八节点定义方式。然后用null定义 开挖土体部分的模块来模拟,如图4。
本工程实例中基坑坡率较大,近乎直立开挖,也可直接采取每 步开挖支护中,再多次分步开挖得到阶梯状开挖面的方式近似模拟 坡面开挖。经模拟计算验证,该建模方式对基坑开挖支护数值模拟 计算结果影响很小,可忽略不计。
本工程沉降水准观测,对基坑周边边坡土体和建筑物沉降监测共 布设10+8个沉降观测点。其中,在基坑周边土体共布设10个水平位移 和沉降观测点,东面两栋距基坑较近的被测建筑物的首层柱上共为3个 沉降观测点。其中对周边建筑物进行13次沉降观测。观测周期与工程 进度密切联系,基坑开挖期间,土体扰动对周围环境影响较大,沉降速 率较大,故保证每隔2天一次观测,时刻注意环境动态,后期施工过程中, 根据实际情况相对减小监测频率。
2、边界条件
边界条件分为位移边界条件和受力边界条件利用FLAC3D中fish语言 程序命令:fix(位移方向)range(位移约束面),可在网格模型中设定位移 边界条件。 模型除x=0面及基坑顶面为自由面不设置位移边界条件外,其余面均 采用法向约束。坑底边界静止不动,假设为固定铰支,限制三个方向的位 移;模型x轴及y轴方向两侧避均施加边界约束条件,限制该临空方向的位 移;基坑顶面为设为自由面,不加约束。地下水己进行处理,可不考虑。 利用FLAC3D中fish语言程序命令:apply szz(荷载大小)range(荷载 范围),可在网格模型中定义受力边界条件。本工程CD段基坑周边己有建 筑物荷载,荷载大小为90KN。
图19第四步开挖支护x方向位移等值线图
图20第五步开挖支护x方向位移等值线图
图21第五步完成后CD段x方向位移典型剖面图
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图中左侧表示x方向的位移。下面的数值为位移大小的变化范围,从 上到下由负值到正值,负值代表向基坑内侧移动,正值代表背离基坑 开挖面。对应于右侧图中同颜色区域的位移值。
图4 坡面开挖建模示意图
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整个基坑开挖支护模拟严格按照工程施工顺序,分层分段开挖 与支护。如表2所示,CD段分五步开挖,BC段分四步开挖,因CD段地 面标高较高,故先开挖CD段第一层土体,然后开挖BC段第一层土体, 完成第一步开挖支护后,进行模拟计算,保存计算成果;然后依次进 行CD段和BC第二步开挖支护,再次计算;依次类推完成整个基坑开 挖支护过程。
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5.3分步开挖水平位移分析 对基坑分步开挖进行模拟分析。由于基坑位移控制方向 为x和z方向,故水平位移只列出x方向的等值线图。分步开挖 水平位移等值线图及典型剖面图见图16到21。
图16第一步开挖支护x方向位移等值线图
图17第二步开挖支护x方向位移等值线图
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图18第三步开挖支护x方向位移等值线图
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4、从基坑位移分布图结合不平衡力模拟计算结果知,基坑 开挖隐患位于CD段,其主要危险因素为距基坑5.7m远的90KN 局部建筑荷载。因支护工艺采用小型机械施工,为充分反映 周边建筑物对基坑稳定的相互影响,模拟过程中忽略了基坑
顶面的施工荷载以及雨水等不确定因素的影响,可知在基坑
BC段不平衡力很小,直接开挖产生的位移也可忽略不计。
初始地应力场生成的水平位移(x方向)和垂直位移(z方向)结 果如图10、图11。
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图10土体自然固结x方向位移
图11土体自然固结z方向位移
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由结果可以看出:
1、x方向初始地应力固结的位移图中,前后两面因添加位移约束条 件,故使得模拟值与固结位移值稍有偏差,主要表现在模型局部荷 载区域靠近后侧x方向位移约束处,但总体而言,可以代表场地初始 地应力场的水平固结位移分布。 2、x方向位移图表明:土体因承受局部建筑荷载而产生水平位移, 最大水平位移出现在荷载下方的土体表面,最大值仅为1.6mm。一 般而言,在地面无局部荷载(或荷载沿整个场区表面均匀分布)且各 土层为成平面各向异性体的理想情况下,土体自然固结不会产生水 平方向的位移。故在基坑设计计算以及数值模拟分析中均不能忽 略周边建筑物的荷载作用。 3、水平位移向外影响范围约为荷载宽度的一倍,远离荷载处水平 位移非常小,可不计。模型前后两个边界因定义位移边界条件,故 位移值为零。
级,地基等级为二级。
基坑大致呈矩形,东西向宽25.50m;南北向长45.00m,基坑 开挖面积约1150.oom2,基坑周长约140m。 地下建筑结构
1.2工程地质及水文地质条件
1、工程地质条件 本基坑位于三级阶地。开挖后,侧壁中上部为填土和一般粘性 土,部分坡段下部为老粘性土,部分坡段侧壁下部仍为一般粘性土, 坑底接近老粘性土,总体而言,侧壁中上部土质条件相对较差,坑底 土质良好,对整体稳定有利。场地内地基岩土层划分为四个层组共 六个亚层。 2、水文地质条件 场地经人工整平后相对平坦。场地地下水分为上层滞水及砂土 层中空隙承压水。（1）层杂填土,结构松散,属中等透水层,含少量 上层滞水,但不能形成统一自由水位,受大气降水及地表径流补给; (2) 二层三层属弱透水层,一般起隔水作用。4、5层为粉砂夹粉土、 粉质粘土,粉砂,属含水层,为空隙承压水。 地下建筑结构
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4、z方向固结沉降位移图表明:最大沉降值出现在局部荷载下方土 体表面,最大固结位移约为3.47cm,且荷载对沉降位移的影响范围 不大,边界土体初始地应力沉降固结位移约为Zcm。 5、因受土体自重作用,同一垂直平面内,土体固结沉降位移最大值
出现在土体顶面,因存在沉降位移的累积,随着深度增大位移值逐
M5累计水平位移在2.5mm左右,累计沉降值和水平位移发展趋
势均在容许范围内,且几乎没有差异沉降,不会对基坑边坡和
周边环境产生危害。满足基坑稳定和周边建筑物安全要求。 地下建筑结构
3.模型和参数设置
l、计算范围
通过分析该深基坑工程的地质条件,周边环境及基坑要求,结合 收集的资料,不考虑地下水的影响,对整个基坑的东面进行三维数值 模拟。 基坑东面分BC段和CD段两段:BC段长20m,基坑顶面标高-2.8m,基 坑底面标高-9.4m,开挖深度6.6m,采用预应力锚杆支护结构,放坡坡 率1:0.3;CD段长25m,基坑顶面标高-1.4m,基坑底面标高-6.85m,开挖 深度5.45m,采用超前钢管桩复合预应力锚杆支护结构,垂直开挖。 本计算模型在基坑宽度方向(x方向)取25m(开挖面后影响区取 15m,开挖基坑内影响区取10m),长度方向(y方向)取65m(两侧各加宽 10m影响区),深度方向(z方向)取20m。在建立FLAC3D计算模型时,
图4微型钢管桩超前支护 图5第一步开挖与支护模型图 图6第二步开挖与支护模型图 图7第三步开挖与支护模型
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图8第四步开挖与支护模型
图9第五步开挖完成后模型
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5.数值模拟计算
5.1初始地应力场的生成
基坑开挖前,先进行土体的自然固结计算,即初始地应力场的 生成,然后消除固结过程产生的位移。初始地应力场的生成选用分 阶段弹塑性求解法进行生成。 基本步骤为:生成网格模型--定义模型为摩尔--库伦弹塑性本 构模型--设置土体强度参数、在模型上添加所有的物理边界条件 (包括位移边界条件和受力边界条件)--并设置土体密度和重力加 速度--输入sofve elastic命令--软件按照默认设置自动分阶段求 解---保存计算结果至initial.sav文件---自然固结位移清零。
渐变小,在模型底面边界,因定义边界约束条开挖位移分析 通过零模型(null)来模拟基坑开挖,逐层开挖工况可以 通过逐层设置开挖区材料为零模型来模拟。但是在无支护开 挖时,分不开挖模拟和一次性开挖模拟结果差别不大,故在对
无支护开挖的基坑模拟计算直接通过一次性开挖到位后进行
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表1周边建筑物水平位移及沉降监测成果汇总表
图1典型沉降观测点沉降与时间关系曲线图
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图中: ①-⑤分别表示第一到五次分步开挖工况。 从上图表可以看出:
1 、东侧已有建筑物位移随基坑开挖处于不断增大的趋
势,但随着基坑开挖支护完成后一段时间,位移趋于稳定。
2 、监测点 M7 、 M8 累计沉降量在 2.5mm 左右 , 基坑边 M4 、
河南城建学院
交通运输工程学院
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1.工程概况及地质情况
1.1工程概况
湖北省高级人民法院位于武昌区首义路新建湖北省高级人 民法院二号楼办公楼。办公楼高9层,总建筑面7922m2(不含地 下室),采用框架结构,高38.50m,基坑开挖深度约3.85~7.05m。 抗震设防分类为丙类,该工程重要性等级为二级,场地等级为三
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2.2沉降观测成果 该工程监测工作从2007年11月27日开始,至2008年3月24
日结束。分析中将第一次,累计观测时间未118天。将沉降监
测结果整理见表1。 为了能更直观看出周围建筑物沉降随时间的变化规律, 对表中数据进行比较后,选取具有代表性的已有建筑物上M7、 M8点和基坑顶面坑边M4、M8点(见图1),将各点的沉降观测数 据,绘制成随时间的沉降曲线图如图1。
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2.位移监测成果
基坑监测由多方面内容组成,检测项目的选择应根据基坑工程的 安全等级、周围环境的复杂程度和实际工作条件等因素而定。周边建 筑物沉降观测是基坑周围环境监测其中的一个内容。在深基坑开挖过 程中,为了掌握临近建筑物的沉降情况,确保周边环境的安全,需进行 沉降观测。
2.1基坑监测方案
运算(solve)。基坑无支护开挖模拟水平、垂直位移及位移 速率计算值见图12、13。
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图12无支护开挖模拟水平位移计算
图13无支护开挖模拟水平位移速率计算
图14无支护开挖模拟沉降计算
图15无支护开挖模拟沉降速率计算