HSS模型在緊鄰地鐵深基坑工程分析中的應(yīng)用★

丁鈺津 褚 峰 梁發(fā)云

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092;2.上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)聯(lián)合發(fā)展有限公司，上海 200127)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和工程技術(shù)進(jìn)步，我國(guó)基坑工程呈現(xiàn)出“大、深、緊、近”的發(fā)展特點(diǎn)［1］?；又苓叚h(huán)境越發(fā)復(fù)雜，同時(shí)伴隨著我國(guó)地鐵工程的興建，地鐵沿線(xiàn)區(qū)域成為城市經(jīng)濟(jì)的熱點(diǎn)區(qū)域，出于對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)，緊鄰地鐵的基坑工程對(duì)于變形控制有著嚴(yán)格的要求。合理地分析基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響是基坑工程中的重要問(wèn)題。目前數(shù)值分析方法已成為基坑開(kāi)挖變形分析的常用方法，而合適的土體本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)的選取對(duì)于數(shù)值分析結(jié)果的合理性非常重要［2］。HSS模型［3］不僅能考慮軟粘土的壓硬性與剪脹性，區(qū)分加載與卸載剛度且其剛度依賴(lài)于應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑，而且它還考慮了小應(yīng)變范圍內(nèi)土體剪切模量隨應(yīng)變?cè)龃蠖p的特點(diǎn)，因而適用于模擬基坑開(kāi)挖［4，5］。

文獻(xiàn)［4］采用Plaxis軟件，建立了上海某緊鄰地鐵超深基坑的軸對(duì)稱(chēng)平面有限元分析模型，給出了基坑不同開(kāi)挖方式下墻體的變形規(guī)律，但并未與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，本文采用Zsoil 2011 v11.07有限元軟件，考慮到地鐵兩邊大基坑尺寸的區(qū)別，建立了該工程的平面有限元分析模型，探討緊鄰地鐵深基坑工程的變形特性及對(duì)周邊環(huán)境的影響，通過(guò)計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值的對(duì)比，驗(yàn)證了HSS模型在上海地區(qū)的適用性。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

浦東世紀(jì)大都會(huì)(2-3地塊)位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，基地面積約30 000 m2，地下室深度約14.75 m～22.8 m，地下2層～4層，功能為車(chē)庫(kù)和商場(chǎng)。本工程周邊情況復(fù)雜，地鐵2號(hào)，4號(hào)，6號(hào)和9號(hào)線(xiàn)在此交匯，南側(cè)沿世紀(jì)大道一邊與運(yùn)營(yíng)中的軌道交通4號(hào)線(xiàn)以及世紀(jì)大道樞紐站緊鄰，特別是6號(hào)線(xiàn)明挖區(qū)間更是以地下1層的形式直接穿越整個(gè)地塊。

1.2 基坑支撐圍護(hù)布置

本工程以6號(hào)線(xiàn)為界，通過(guò)設(shè)置分隔墻將場(chǎng)地分為A1，B1區(qū)2個(gè)大基坑，以及沿6號(hào)線(xiàn)兩側(cè)及4號(hào)線(xiàn)北側(cè)大致對(duì)稱(chēng)的A2～A8，B2～B9區(qū)共15個(gè)小基坑。其中A1，B1區(qū)為地下4層(基坑開(kāi)挖約22.8 m)，A2～A4區(qū)、B2～B4區(qū)及B9區(qū)為地下3層(基坑開(kāi)挖約19.55 m)，A5～A8區(qū)及B5～B8區(qū)為地下2層(基坑開(kāi)挖約14.75 m)，各基坑分布位置如圖1所示。

本工程地表標(biāo)高約為+4.00 m。本工程采用明挖順筑法施工，大基坑開(kāi)挖約22.8 m，基坑平面內(nèi)采用整體對(duì)撐的形式，豎向共設(shè)5道支撐，斷面尺寸為:第一道支撐1 200 mm×1 000 mm，中心標(biāo)高3.50 m;第二～第五道支撐1 400 mm×1 000 mm，中心標(biāo)高分別為 －1.7 m，－6.5 m，－11 m，－15.3 m。水平間距約為9 m。小基坑A2～A4，B2～B4開(kāi)挖約19.55 m，布置五道支撐，支撐一端作用于大基坑分隔墻，另一端作用于6號(hào)線(xiàn)地下墻，第一道為1 200 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，其他四道支撐采用φ609鋼管(t=16 mm)支撐，中心標(biāo)高分別為 3.5 m，－1.7 m，－5.3 m，－8.3 m，－12.3 m。本工程緊鄰6號(hào)線(xiàn)地下的大基坑連續(xù)墻厚度1.0 m，深度40 m，其余大基坑連續(xù)墻厚1.0 m，深度為50 m，所有小基坑連續(xù)墻厚0.8 m，深度40 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2。

圖1 基坑分布位置示意圖

1.3 基坑開(kāi)挖過(guò)程

在實(shí)際施工時(shí)，考慮到大面積基坑開(kāi)挖自身風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)周?chē)h(huán)境和鄰近地鐵設(shè)施的潛在風(fēng)險(xiǎn)，決定采用單側(cè)順序開(kāi)挖的方案，減少大面積開(kāi)挖工作面，以期將施工風(fēng)險(xiǎn)控制在較小的影響范圍內(nèi)。因此，A1和B1兩個(gè)大基坑分別采取按順序開(kāi)挖方式，即先進(jìn)行B1基坑開(kāi)挖，待B1基坑底板完成后進(jìn)行A1基坑的開(kāi)挖。待A1基坑開(kāi)挖完成后再對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖兩側(cè)的小基坑。

A1和B1大基坑分六層土開(kāi)挖，以第一～第五道支撐底面標(biāo)高為每層土開(kāi)挖分界線(xiàn)，分別為4 m，3 m，－2.2 m，－7 m，－11.5 m，－15.8 m，－18.8 m。第一層～第六層土的層高分別為1 m，5.2 m，4.8 m，4.5 m，4.3 m，3 m。小基坑開(kāi)挖19.55 m，以第一 ～ 第五道支撐底面標(biāo)高為每層土開(kāi)挖分界線(xiàn)，4 m，3 m，－2 m，－5.6 m，－9.9 m，－12.6 m，第二層 ～ 第六層土的層高分別為 1 m，5 m，3.6 m，4.3 m，2.7 m，2.95 m。

2 計(jì)算模型與參數(shù)取值

數(shù)值分析采用Zsoil 2011 v11.07有限元軟件進(jìn)行二維分析。土體本構(gòu)模型采用程序內(nèi)置的HSS本構(gòu)模型［6］。根據(jù)工程實(shí)際建立有限元模型，平面應(yīng)變分析取基坑中部垂直于6號(hào)線(xiàn)截面。模型簡(jiǎn)圖及土層分布如圖2所示。

2.1 單元類(lèi)型選擇

平面應(yīng)變分析中地下連續(xù)墻、水平支撐、立柱、立柱樁和地鐵結(jié)構(gòu)均簡(jiǎn)化為彈性桿件［7］，選用Zsoil內(nèi)嵌的Beam單元。圍護(hù)墻和立柱樁與土體之間設(shè)置接觸面單元(Contact)。接觸面均以剪切彈簧單元模擬，其本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型［8］。

圖2 模型簡(jiǎn)圖及土層分布

2.2 土體參數(shù)取值

1)各土層基本參數(shù)。

本工程基坑保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，巖土工程勘察對(duì)場(chǎng)地主要土層均提供了詳盡的檢測(cè)報(bào)告。場(chǎng)地的主要土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

2)HSS模型參數(shù)。

HSS模型共包含13個(gè)參數(shù)，各參數(shù)物理定義見(jiàn)表2。本工程參數(shù)c'，φ'，K0取自勘察報(bào)告;剪脹角ψ，對(duì)于砂土，內(nèi)摩擦角大于30°取(φ'－30°)，內(nèi)摩擦角小于 30°則取為 0°［9］;對(duì)于粘性土，剪脹角 ψ 一般取為0°［8］;參考應(yīng)力取 100 kPa，加卸載泊松比 νur取0.2［8］;參數(shù) m，砂土和粉土一般取 0.5［10］，上海地區(qū)粘土可取0.8［11］;根據(jù)文獻(xiàn)［2］，上海地區(qū)粘性土層，破壞比 Rf取 0.9(淤泥質(zhì)土取 0.6);砂性土，破壞比 Rf取 0.9;小應(yīng)變參數(shù)取 2 × 10－4［6］。由此可得本工程 HSS 模型參數(shù)如表3所示。

表2 HSS模型參數(shù)定義

2.3 計(jì)算模型

計(jì)算模型的范圍為寬400 m×深100 m，模型邊界距基坑的距離均大于5倍最大開(kāi)挖深度?；拥奈灰七吔鐬?模型頂部為自由邊界，模型的左、右邊界采取法向約束，即水平方向位移為0，豎直方向允許發(fā)生位移;模型的下邊界為固定約束，即各方向的位移為0。

表3 HSS模型參數(shù)

2.4 計(jì)算步驟

數(shù)值計(jì)算步驟為:1)開(kāi)挖前自重應(yīng)力平衡;2)施工地下連續(xù)墻及立柱樁;3)左右大基坑第1層開(kāi)挖，施工第一道支撐;4)左邊大基坑第2層～第5層開(kāi)挖，施工第二道～第五道支撐;5)左邊大基坑第6層開(kāi)挖，底板施工;6)右邊大基坑第2層～第5層開(kāi)挖，施工第二道～第五道支撐;7)右邊大基坑第6層開(kāi)挖，底板施工;8)兩側(cè)小基坑第1層～第5層開(kāi)挖，施工第一道～第五道支撐;9)兩側(cè)小基坑第6層開(kāi)挖，底板施工。

3 工程實(shí)例分析

取各道支撐完成工況作為典型節(jié)點(diǎn)，分析基坑開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的影響，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1)墻體水平位移。圖3和圖4分別給出了B1開(kāi)挖過(guò)程中一號(hào)墻體和二號(hào)墻體變形的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值，墻體位移以向坑內(nèi)方向?yàn)檎?。通過(guò)圖3和圖4可知，墻體水平位移的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的分布規(guī)律基本一致，墻體變形形態(tài)均為向坑內(nèi)的鼓肚形。

圖3 一號(hào)墻體水平位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

隨著基坑的向下開(kāi)挖，墻體的變形逐漸增大，最大變形位置逐漸下移，基本處于每層開(kāi)挖面附近。B1開(kāi)挖到坑底，一號(hào)墻體最大變形的有限元計(jì)算值為52.3 mm，約為0.23%H，實(shí)測(cè)值為58.8 mm，約為0.26%H，H為基坑開(kāi)挖深度。計(jì)算值稍小于實(shí)測(cè)值，兩者相差為11%。二號(hào)墻體最大變形的計(jì)算值為51.3 mm，約為0.22%H，實(shí)測(cè)值為 48.4 mm，約為 0.21%H。計(jì)算值稍大于實(shí)測(cè)值，兩者相差6%。分析表明，有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)墻體變形規(guī)律相同，吻合得較好。

圖4 二號(hào)墻體計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

與文獻(xiàn)［4］相比，所得的各開(kāi)挖步下墻體最大位移值均小于本文的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值，這主要是由于文獻(xiàn)［4］對(duì)相近的土層進(jìn)行了合并，土體強(qiáng)度取值為相近土層中的較大值所致。

圖5 右一連續(xù)墻后土體沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

2)墻后土體位移。文獻(xiàn)［4］未對(duì)墻后土體的變形規(guī)律進(jìn)行分析，本文在建模過(guò)程中考慮墻后土體，通過(guò)計(jì)算給出了墻后地表的變形值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖5所示。由此可知，墻后地表沉降的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的分布規(guī)律基本一致，沉降形態(tài)為勺形。隨著B(niǎo)1基坑土體的開(kāi)挖，地表沉降逐漸增大。B1開(kāi)挖到坑底，地表最大沉降的計(jì)算值為31.1 mm，約為0.14%H，H為基坑開(kāi)挖深度，位置距墻邊0.42H;實(shí)測(cè)值為 34.8 mm，約為0.15%H，位置距墻邊0.43H。計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本一致。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上海地區(qū)某緊鄰地鐵超大深基坑的數(shù)值模擬，對(duì)深基坑開(kāi)挖變形特性進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論:

1)采用HSS本構(gòu)模型對(duì)基坑工程進(jìn)行了數(shù)值分析，并將計(jì)算的成果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，兩者較為接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了HSS本構(gòu)模型在上海地區(qū)的適用性。

2)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地下連續(xù)墻的水平位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)凸向坑內(nèi)的鼓肚形;隨著基坑開(kāi)挖變形逐漸增大，最大位移發(fā)生在開(kāi)挖面附近。

3)墻后地表沉降呈現(xiàn)為凹勺形，沉降值隨著開(kāi)挖深度逐漸增大，最大沉降位置距坑邊0.15倍開(kāi)挖深度左右。

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