复杂岩土条件下竖井围岩力学行为数值分析

整个开挖过程的具体计算工况如下： ①加固软土层，在岩土体自重作用下，初始地应 力分布，位移计算结果清零； ②施工地下连续墙，在基坑外侧施加施工附加超 载 30kPa； ③开挖至每 1道支撑下 1m，则该道支撑结构起 作用，共 8道；
'),
安徽建筑
土层
（1-1） （3-1） （3-3） （3-3a） （15a-1） （15a-2） （15a-1） （15a-2） （3-3） C30混凝土
层厚(m)
3.3 1.7 18 4 3 9 4 23.6 加固后
计算参数
表1
重度(kN/m3) 内摩擦角（o） 粘聚力(kPa) 弹性模量(MPa) 泊松比
环梁
环梁截面尺寸 (mm×mm)
18
18
9
8
0.32 第 1、2、3、4、8道环梁 1200×1600
18.6
12
22
5
0.35
17.5
5
11
3
0.38 第 5、6、7道环梁 1400×1800
19.4
10
20
6
0.35
19.9
35
0
46
0.33
23.6
55
0
856
0.31
19.9
35
0
55
0
18
20
60
0
30
0.33
25
30000
0.2
④开挖至设计基底标高 12.773m。
性区主要分布于圆形竖井边缘松动区。开挖施工过程 中，最大等效塑性应变 0.1245发生在支撑 6起作用 工况，出现在圆形竖井边挖施工全过程中，塑性区主要分布于圆形竖井边缘松 动区并呈片状，由于支护结构的阻挡，未形成连通的 破坏滑面，竖井开挖施工过程安全。
图 2 初始地应力
图 3 等效塑性应变
如图 2，竖向初始地应力沿竖向连续变化，在第 8
层 土 顶 部 位 置 (标 高 -21m)，竖 向 地 应 力 值 达
-0.843MPa。
如前所述，按刚度等效原则将桩体等效为连续 板，图 4所示为相应施工工况桩体每延米等效弯矩分 布云图，图中标出了各工况桩体最大等效弯矩。相关 结果列于表 2。图 5所示为相应施工工况桩体每延米 等效剪力分布云图，图中标出了各工况桩体最大等效 剪力。相关结果列于表 2。
质粉质黏土、（3-3a）粉质黏土、（15a-1）强风化泥质细 粉砂岩、（15a-2）中风化泥质细粉砂岩、（15a-1）强风 化泥质细粉砂岩，（15a-2）中风化泥质细粉砂岩，图中 用不同颜色显示上述土层，因（3-3）淤泥质粉质黏土 强度较低，土层较厚，方案拟在被动区对此土层进行 加固处理，各岩土层的相关弹塑性力学计算参数见表 1，分析中采用的计算参数主要根据设计图纸文件、初 勘报告、相关设计规范。取对称剖面模型，竖井土体、 桩和环梁相互作用模型示意见图 1（b）。
6789:;<=>?8@ABCDE,F
（武汉市政工程设计研究院有限责任公司 ，湖北 武汉 430015）
89GHIJKKL 安徽建筑
% & 针对复杂岩土条件下竖井开挖施工过程中的力学行 为，文章通过建立三维弹塑性有限元模型对武汉市大东湖主隧 工程 2#竖井开挖过程进行数值模拟分析，得到了逐步开挖过 程中支护结构系统单桩弯矩、剪力及支撑轴力、坑底隆起、桩顶 位移等变化规律，有效验证了竖井开挖施工的安全性，对类似 工程有一定的参考意义。 ' ( ) 竖井；有限元；数值模拟；环梁 *+,-.!"#$% /0123& / 4 5 . '(()*)+,- %('- ()*('),*(+ "./'(0'122(34567895'(():)2;-5%('-5()5()(
工况 支撑 1起作用 支撑 2起作用 支撑 3起作用 支撑 4起作用 支撑 5起作用 支撑 6起作用 支撑 7起作用 支撑 8起作用 开挖至基坑底
根据地勘资料，岩土体地层共分成 8层，土层从 上而下依次为：（1-1）杂填土、（3-1）黏土、（3-3）淤泥
! " # $ 代昂（1981-），男，湖北武汉人，毕业于中国地质大学（武汉） 土木工程专业，本科，学士学位，高级工程师。专业方向：岩土工程。
（a）计算模型
（b）相互作用模型
图 1 大东湖主隧 2#竖井开挖三维有限元模型

由于模型的对称性，取如图 3所示剖面实体，考 察开挖过程中岩土体等效塑性应变分布变化情况，以 便了解岩土体塑性破坏集中区和可能的破坏滑移面， 更好地指导竖井开挖安全施工。
分析表明，在完成被动区加固和地连墙施工后， 塑性区范围和等效塑性应变大小没有明显的变化，塑
图 4桩等效弯矩
图 5 桩等效剪力
模型中用实体单元模拟弹塑性土体，从上到下用 梁单元模拟环梁结构，用板单元模拟环向分布桩支护 结构，共计 24根 1.6m直径桩，按刚度等效的原则简 化为 1.2943m厚地下连续墙进行计算。考虑模型的复 杂性，模型使用以六面体为主的混合网格划分，模型 由 101877个实体单元、3680个板单元，640个梁单 元，共 59439个节点，106197个单元构成。岩土体的 弹塑性采用经典的 Mohr-Coulomb本构。为精确模拟 竖井周围围岩力学行为，这部分实体单元尺寸取 1m， 同时为控制模型求解规模，边界部位岩土体实体单元 尺寸控制在 5m范围内。
武汉市大东湖核心区污水传输系统工程主隧 2# 竖井原设计位置位于园林路与沙湖港交叉处东侧 100m，因原井位于现状道路上，无法施工，现拟将井 位向大里程方向移动。根据补勘结果，新井位下部存 在 18m厚淤泥质粉质黏土层，该土层强度低，设计拟 在被动区对该土层进行加固处理以保证竖井支护结 构安全。同时，竖井围岩范围内存在多层物理力学性 质差异较大的复杂岩土分布，因此，为验证设计方案 的有效性，通过建立三维弹塑性有限元模型进行竖井 开挖施工过程的模拟计算，可全面分析复杂岩土条件 下竖井围岩的力学行为，以便更好地指导竖井开挖安 全施工[1-6]。
模拟使用大型岩土有限元分析软件 Midas-GTS 进行，图 1(a)是 2#竖井拟开挖土体三维弹塑性有限 元模型，图中选取水平地表为 xy平面，z轴铅直向上， x、y和 z轴构成右手坐标系，计算模型尺寸大小为 128×128×100m。图中绿色箭头显示的是施工过程 附加超载，附加超载等效均布荷载值为 30kPa，作用 于基坑开挖区外侧，开挖区直径 12m。