有限元计算地道挖掘中土体和结构物产生的变形

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论文摘要

  沿海地区的建筑工程一般都处于软土或软弱地层上,土的强度与变形是相互影响的,因此,有必要研究软土尤其是软弱土层的变形性质。温州软土的成因类型为泻湖相,软土厚度可达35m,其表现为均匀的流塑状态。软土层深厚,具有很大的压缩性,土体中分布有不规则的粉砂层和透镜体,土体强度很低,属于低强度的软弱土。软土层一般包括淤泥与淤泥质土。由于引起软土体变形的因素较多,因此,在不同条件下发生变形的原因也会不同。施工中发生变形的主要原因是由于施工周围土体的扰动或造成土体剪切破坏。工程建设不但要考虑所建造的工程结构本身,还应该考虑在施工过程中处于不同施工阶段时的结构相互作用。周镜提出为使计算结果更接近实际,应该研究了解土的性质并选用正确的计算参数,这比计算方法可能更重要。为保证施工安全与工程质量,有必要对工程进行数值计算和分析。本文以温州附二医人行地道为例,建立了有限元计算模型,分析了开挖过程中土体和结构物产生变形的情况。

  1 工程及地质概况

  温州附二医人行地道建于沉积软粘土上,出入口通道和竖井,宽度从5m到8.5m、深度达10.03m,对于其开挖形式,本次计算采用Plaxis有限元方法进行模拟分析。按照温州市勘察测绘研究院对温州医学院附二医人行地道工程进行的岩土工程详细勘察报告,软粘土层可分为:人工填土、淤泥及淤泥质粘土、粘性土、圆砾等。王立忠对温州软粘土展开过详细的研究。对比本次场地土的基本物理力学指标,王立忠教授对于温州淤泥及淤泥质粘土的试验结果可为本次场地所用。采用最新软粘土模型,软粘土层的参数见表1。

  2 有限元计算模型的建立

  本次计算分析选取8.5m宽度的基坑作为分析对象。几何尺寸见图1:水平方向取20m,垂直方向取25m。地下水位深度位于地表面。排水边界条件为上边界面排水,两侧及底面均不排水。底面边界同时受到水平和竖向的约束,两侧面边界受到水平方向的约束。由于对称关系,有限元分析只需分析一半区域。

  基坑施工及工后沉降通过PLAXIS软件进行模拟,土体采用弹塑性模型,网格采用三角形单元,每个单元有6个节点,共2275个节点。网格足够稠密,以保证计算结果的精确。基坑的开挖为分层开挖(6层)。第一步:进行地下连续墙施工,接着开挖第一层土(1.2m厚,工期为10d);第二步:做好水平支撑,继续开挖第一层土(开挖厚度1.2m,工期为10d);第三~五步:继续开挖第二层土,分三次开挖,开挖厚度1.9m,工期为10d;第六步:继续开挖厚度1.9m,工期为10d,接着浇筑混凝土底板0.73m厚,工期10d。

  图2给出了从第一步到第六步各施工工况的水平位移、竖向位移云图,及总位移增量矢量图。从图中可以看出,最大水平位移随着开挖深度的增大而增大,且最大位移发生的位置随开挖深度不断深入;最大沉降随着开挖深度的增大而增大,且地表沉降最大;总位移趋势在开挖期间随着开挖深度的增大有所发展,但在水泥底板浇筑完毕后改变很大。从图中可以看出在工况第六步之后,本次分析又模拟了工后一年的变形开展情况。由此可见,从施工到工后的变形发展趋势比较符合现场量测结果,尽管在变形量的大小上有所区别。这个区别可能是横向支撑锚杆刚度不足、或地下连续墙强度不够、或结构性软粘土受到扰动所致。

  3 结语

  软土地区施工会产生较大的变形和沉降,如控制不当会引发重大工程事故。本文以温州附二医人行地道为例,结合工程的施工全过程,建立了有限元计算模型,分析了开挖过程中土体产生变形的情况,指出了在变形控制中支撑强度和粘土结构性的影响,本文的计算结果可以作为类似工程设计的有益参考。

  参考文献
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