围护结构受力和变形分析

围护结构受力及变形分析

1 计算模型

针对剖面1-1，剖面2-2和剖面3-3所采用的围护结构形式，采用数值模拟方法分析了不同围护结构在基坑开挖条件下的位移和受力。数值模拟采用的模型如图1、图2和图3所示。为了合理分析基坑开挖的影响，数值模拟中采用的计算范围为140m×80m，考虑坑内采用盆式开挖，因此，坑内的土体宽度取为40m，以充分反映坑内土体卸载对围护结构的影响。

图1 剖面1-1计算模型及网格划分

图2 剖面2-2计算模型及网格划分

图3 剖面3-3计算模型及网格划分

2 土体模型和计算参数

由于基坑开挖的过程为土体卸载的过程，为了合理的描述基坑开挖过程中围护结构的变形和受力，在数值模拟中土体的本构模型采用了能够考虑土体卸载回弹特性的硬化模型，该模型在摩尔－库仑的模型基础上发展而来，模型中考虑了土体的卸荷模量对基坑变形的影响，卸荷模量是土体初始强度参数和应力水平的函数，其相互关系可以采用公式（1）来反映。

m

r e f r e f p c c E E ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+'-=ϕϕϕσϕs i n c o s s i n c o s 3 (1) 公式（1）中E 为数值计算中采用的杨氏模量，ϕ,c 为土体的内聚力和内摩

擦角，3

σ'为计算点的最小有效应力，ref p 为参考应力水平，取为100kPa ，m 为常数，一般在0.5～0.6之间变化，本次计算中采用0.5。ref E 为杨氏模量参考值，该参数可以根据土体单向压缩的割线模量来确定，计算中取为2.0013-E 。

土体的物理力学参数γϕ,,,2.01.0-E c 以及深度等根据地质勘察报告选取，泊松比取为0.35。

围护结构的物理力学参数根据设计资料选取，地下连续墙为C30混凝土。 由于采用了格构式地连墙，由于采用了二维数值模拟，前、后地连墙之间的格构和土体按照公式（2）所示的原则进行了等效。

土格构土

土格构格构＋＋V V V E V E E (2)

式中土土格构格构，，，V E V E 分别为格构地连墙的杨氏模量、体积以及土体的

杨氏模量、土体体积。

数值计算中，地面超载取为20kPa 。

3 围护结构位移及受力

3.1 剖面1-1围护结构变形和受力

剖面1-1基坑开挖至-4.2m 条件下，围护结构的变位如图4和图5所示。

图4基坑开挖至-4.2m 深度格构式地连墙变位示意图

后墙位移前墙位移

图5 基坑开挖至-4.2m深度前后墙水平位移示意图

基坑开挖至-4.2m深度时，前墙的最大位移为16mm，后墙的最大水平位移12mm，由于前后墙之间的格构采用了强度等效的方法进行模拟，这种模拟使格构式地连墙的整体抗弯刚度有所减弱，对前后墙体的位移沿深度分布有所影响。

前后地连墙弯距如图6所示。在基坑开挖到底时，格构式地连墙的最大弯距为411kN*m/m，出现在开挖面下方3m左右的深度位置。

图6 剖面1－1开挖至4.2m深度时格构式地连墙的弯距分布

3.2 剖面2-2围护结构变形和受力

剖面2-2基坑开挖至-4.25m条件下，围护结构的变位如图7和图8所示。

基坑开挖至-4.25m深度时，前墙的最大位移为19mm，后墙的最大水平位移16mm，同剖面1－1一样，由于前后墙之间的格构采用了强度等效的方法进行模拟，这种模拟使格构式地连墙的整体抗弯刚度有所减弱，对前后墙体的位移沿深度分布有所影响。

图7 基坑开挖至-4.25m深度格构式地连墙变位示意图

后墙位移 前墙位移

图8 基坑开挖至-4.25m 深度前后墙水平位移示意图

前后地连墙弯距如图9所示。在基坑开挖到底时，格构式地连墙的最大弯距为445kN*m/m ，出现在开挖面下方3m 左右的位置。

图9 剖面2-2开挖至4.25m深度时格构式地连墙的弯距分布

3.3 剖面3-3围护结构变形和受力

剖面3-3基坑开挖至-5.35m条件下，围护结构的变位如图10、图11所示。

基坑开挖至-5.35m深度时，前墙的最大位移为18.5mm，后墙的最大水平位

移14mm。

图10 剖面3-3基坑开挖至-5.35m深度格构式地连墙变位示意图

图11剖面3-3基坑开挖至-5.35m深度前后墙水平位移示意图

开挖至-5.35m时，前后地连墙弯距如图12所示。在基坑开挖到底时，格构式地连墙的最大弯距为409kN*m/m，与剖面1-1和剖面2-2不同，地连墙的最大弯距出现在开挖面上方3m左右位置，而且，在该围护结构条件下，顶联系板的弯距也较大，最大达到460 kN*m/m。

图12 剖面3-3开挖至-5.35m深度时格构式地连墙的弯距分布

剖面3-3底板施工完成后的格构式地连墙的变位与图10、图11所示的规律相似，底板浇注完成后，前墙的最大水平位移为19.5mm，后墙的最大水平位移为14.7mm。

剖面3-3底板施工完成后的格构式地连墙的弯距分布和图11所示的规律相似，但是底板浇注完成后，格构式地连墙的弯距有所增加，最大弯距为41kN*m/m，顶联系板的弯距变化不大，最大弯距仍为460 kN*m/m。

因此，采用格构式地连墙能够保证基坑开挖的安全。

4 放坡开挖的土坡位移及长期稳定性分析

4.1 数值计算模型

边坡数值计算模型如图13所示。由于边坡开挖引起的土体位移较大，因此，

数值模拟中考虑了土体大变形对边坡位移发展的影响。计算中地面超载取为20kPa。

图13 边坡开挖数值模型

数值模型中的土体的本构模型仍采用考虑土体卸载的硬化模型，模型参数同格构式地下连续墙相同，边坡开挖中的钢筋网护坡采用土工隔栅单元来模拟，其抗拉强度取为1e5kN/m。放坡采用三级放坡开挖，开挖深度分别为2.5m、2.5m 和3.75m，放坡坡度1:2。

4.2 放坡开挖边坡的变形分析

放坡至+2m标高时，土坡的变形如图14所示。

图14 放坡至+2m标高时边坡位移示意图