佛山軟土地區(qū)狹長型基坑長邊效應(yīng)研究

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(1. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京　210096；2. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司 地下空間設(shè)計(jì)研究院，鄭州　450016；3.中交第二公路工程局 技術(shù)中心，西安　710065)

1　研究背景

近年來，我國軌道交通建設(shè)大規(guī)模進(jìn)行，已有43個(gè)大中型城市軌道交通規(guī)劃獲批。城市軌道交通建設(shè)面臨著復(fù)雜地質(zhì)條件與嚴(yán)苛周邊環(huán)境條件的安全挑戰(zhàn)，其中車站深基坑工程作為軌道交通建設(shè)的重要組成部分，正在面臨巨大的安全考驗(yàn)。

地鐵車站基坑一般為狹長型基坑，其空間效應(yīng)主要表現(xiàn)在長邊效應(yīng)。國內(nèi)劉建航院士[1]最早結(jié)合上海市基坑工程經(jīng)驗(yàn)提出空間效應(yīng)；隨后，劉國彬教授等[2]通過對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的反分析研究，提出等效土體水平抗力系數(shù)Kh的概念及其與開挖位置、開挖寬度、開挖高度、暴露時(shí)間等的函數(shù)關(guān)系。此后，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合理論分析與工程實(shí)踐做了大量的深入研究。吳小將等[3]利用結(jié)構(gòu)構(gòu)件彎矩值與曲率半徑之間的聯(lián)系，提出一種利用測斜監(jiān)測曲線估算地下連續(xù)墻彎矩的方法；周冠南[4]、李佳宇等[5]結(jié)合軟土地區(qū)深基坑施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出該類基坑長邊效應(yīng)與坑角效應(yīng)明顯，并且提出行車荷載對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響明顯；楊雪強(qiáng)等[6]基于土的塑性上限理論及極限平衡理論，提出考慮空間效應(yīng)的土壓力計(jì)算公式；雷明鋒等[7]結(jié)合長大基坑垃裂-剪切和純剪切2種三維破壞模式的空間效應(yīng)進(jìn)行理論分析，同時(shí)引入等代內(nèi)摩擦角概念，提出空間效應(yīng)系數(shù)計(jì)算公式，得出基坑長邊中部的安全風(fēng)險(xiǎn)較大的結(jié)論；李四維等[8]、馮超元[9]在分析深基坑開挖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過有限元模擬研究了基坑尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度及施工工況對基坑變形的影響規(guī)律；連寶琴等[10]通過地鐵基坑現(xiàn)場監(jiān)測成果與數(shù)值模擬分析，得出基坑周邊深基礎(chǔ)建筑物側(cè)的沉降曲線呈“三角形”，淺基礎(chǔ)建筑物側(cè)沉降曲線呈“階梯狀”的結(jié)論；謝沃等[11]結(jié)合實(shí)際狹長型地鐵車站基坑的施工監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果，對此類基坑的分區(qū)開挖進(jìn)行了深入研究，最終基坑中段的墻體水平位移明顯大于基坑兩端；周永勝[12]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、馬爾可夫鏈理論等內(nèi)容建立了基坑變形預(yù)測模型并進(jìn)行了修正，為基坑監(jiān)測變形研究提供了新的研究方向。

總而言之，上述研究主要集中在對整個(gè)空間效應(yīng)的分析研究，并且取得了很大的進(jìn)展，但是對當(dāng)下較普遍的狹長型深基坑長邊效應(yīng)方面還缺乏深入探討和驗(yàn)證分析。

本文結(jié)合佛山地區(qū)某狹長型地鐵車站深基坑工程，采用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析以及有限元模擬，基于基坑開挖階段的地下連續(xù)墻的變形規(guī)律，對狹長型基坑的長邊效應(yīng)進(jìn)行了研究分析。

2　工程概況

2.1　地質(zhì)條件

佛山地區(qū)某狹長型地鐵車站基坑平面尺寸為216.0 m×17.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度17.0 m，明挖順筑法施工?？颖眰?cè)圍擋外為城市主干道。地下連續(xù)墻(C30)厚度800 mm、深度28.0 m；內(nèi)支撐體系為1道鋼筋混凝土支撐(0.8 m×1.0 m)+3道雙拼鋼支撐(Φ800t14)。車站基坑場地地下水位埋深約1.5 m，基坑開挖深度范圍內(nèi)主要為素填土、淤泥質(zhì)土、淤泥等。車站基底以下存在較厚的淤泥層，該土層性質(zhì)差，且在整個(gè)基坑內(nèi)分布范圍廣、深度深，因此對基底土層進(jìn)行了Φ850@600三軸攪拌樁加固，加固范圍穿越淤泥質(zhì)土并進(jìn)入穩(wěn)定土層。該車站主要地質(zhì)特征及力學(xué)特征見表1。

表1　主要地質(zhì)特征與力學(xué)指標(biāo)

2.2　地下連續(xù)墻位移理論計(jì)算方法

地下連續(xù)墻的側(cè)向變形理論計(jì)算一般按照三邊(左、右、下)固支的薄板小撓度彎曲理論計(jì)算。地下連續(xù)墻計(jì)算模型如圖1所示。

圖1　地下連續(xù)墻計(jì)算模型示意圖

認(rèn)為變形僅由彎矩(Mx，My)與扭矩(Mxy)引起，則由地下連續(xù)墻的撓度函數(shù)W表示的應(yīng)變能V為：

(1)

(2)

式中：D為地下連續(xù)墻的彎曲剛度；W=W(x,y)為地下連續(xù)墻的撓度函數(shù)；ν為泊松比;V為地下連續(xù)墻的應(yīng)變能。

設(shè)外界做功為P，則總勢能的表達(dá)式為

∏=V-P。

(3)

結(jié)合邊界條件，利用最小勢能原理雷利-里茨法可求出地下連續(xù)墻的內(nèi)力與變形。

這種地下連續(xù)墻解法采用的是簡化的理想模型，計(jì)算結(jié)果近似高次拋物曲面沿基坑長邊方向的連續(xù)分布，其中基坑中部地下連續(xù)墻變形取得最大值，向兩側(cè)逐漸減小，遞減量先小后大再小。這種計(jì)算方法可以定量計(jì)算出基坑的長邊效應(yīng)程度，但是實(shí)際工程與理想約束仍有一定差距，并且計(jì)算較為困難，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際變形仍可能會有較大偏差。

2.3　地下連續(xù)墻變形監(jiān)測

為了能夠更好地反映出狹長型基坑的長邊效應(yīng)，應(yīng)盡可能地避免坑角效應(yīng)對墻體變形的影響，因此選取點(diǎn)位距坑角有一定的距離。本文選取基坑長邊中點(diǎn)及距離坑陽角20.0 m處作為墻體變形的主要研究對象，詳見圖2墻體變形監(jiān)測點(diǎn)位示意圖,其中包含CX1，CX2，CX3 三個(gè)斷面共6個(gè)點(diǎn)位。

圖2　基坑地下連續(xù)墻監(jiān)測點(diǎn)示意圖

3　長邊效應(yīng)的實(shí)測分析

長邊效應(yīng)屬于空間效應(yīng)，存在于整個(gè)基坑工程中，本文著重探究狹長型地鐵車站基坑開挖階段的長邊效應(yīng)。通過在圖2所示位置埋設(shè)墻體測斜監(jiān)測點(diǎn)，按照1次/d的監(jiān)測頻率對上述3個(gè)截面(CX1，CX2，CX3)6個(gè)墻體測斜監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，最大限度地獲得基坑地下連續(xù)墻的連續(xù)變形數(shù)據(jù)。

3.1　施工工況

不同的開挖深度對長邊效應(yīng)的影響程度必然不同，為了更好地反映出長邊效應(yīng)受開挖深度的影響程度，本文選取以下4個(gè)工況下的地下連續(xù)墻變形數(shù)據(jù)作為研究對象。

工況1：第2道支撐施工完畢，開挖至4.5 m；

工況2：第3道支撐施工完畢，開挖至8.0 m；

工況3：第4道支撐施工完畢，開挖至12.0 m；

工況4：開挖至基底(17.5 m)，且基底封閉。

圖3　各截面墻體測斜變形

3.2　基于截面位置的長邊效應(yīng)研究

截面CX1，CX2，CX3測斜監(jiān)測點(diǎn)分別對應(yīng)4個(gè)工況的墻體位移如圖3所示。同時(shí)分別選取4個(gè)工況下的北側(cè)3個(gè)墻體位移進(jìn)行對比分析，見圖4。

圖4　各工況條件下墻體測斜變形

地下連續(xù)墻墻體的水平位移是設(shè)計(jì)施工需要控制的關(guān)鍵指標(biāo)，其大小直接影響到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全與周邊環(huán)境的影響程度。直觀來看，圖3(a)反映出CX1截面墻體最大水平位移規(guī)律：CX1-1在-11 m深度處位移值為26.01 mm；CX1-2在-13 m深度處位移值為19.12 mm。圖3(b)反映出CX2截面墻體最大水平位移規(guī)律：CX2-1在-13 m深度處位移值為32.88 mm；CX2-2在-13 m深度處位移值為32.21 mm。圖3(c)反映出CX3截面墻體最大水平位移規(guī)律：CX3-1在-11 m深度處位移值22.08 mm；CX3-2在-12 m深度處位移值26.24 mm。

CX2-1的墻體最大水平位移比CX1-1，CX3-1最大水平位移平均值大8.83 mm(約26.9%)；CX2-2的墻體最大水平位移比CX1-2，CX3-2最大水平位移平均值大9.53 mm(約29.6%),如表2所示。CX2斷面最大值出現(xiàn)位置比CX1,CX3斷面均低0～1 m。

表2　墻體最大水平位移值統(tǒng)計(jì)

由此可見，長邊效應(yīng)存在于狹長型地鐵車站基坑，并且導(dǎo)致基坑長邊中間位置地下連續(xù)墻的水平位移最大值明顯大于兩側(cè)，同時(shí)最大值位置下降。

3.3　基于施工工況的長邊效應(yīng)研究

圖3(a)、圖3(b)從動態(tài)施工的角度反映狹長型地鐵車站基坑長邊效應(yīng)的影響。圖4(a)工況1與圖4(b)工況2顯示，雖然基坑中部CX2-1測點(diǎn)水平變形稍大，但并不顯著；進(jìn)一步對比圖4(c)工況3與圖4(d)工況4不難發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖深度的加大，位于基坑中部的墻體水平位移明顯增大，并且最大值下降速度也較為顯著。因此，狹長型地鐵車站基坑長邊效應(yīng)的影響會隨著開挖的加深而增大，且主要影響表現(xiàn)在增加墻體最大水平位移以及降低最大值點(diǎn)位置2個(gè)方面。

4　有限元模擬分析

本文利用有限元分析軟件MIDAS GTS對長邊效應(yīng)進(jìn)行分析研究。按照實(shí)際尺寸建立3D模型，地面超載取20.0 kN/m3。土體采用摩爾-庫倫模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性模型；其中地下連續(xù)墻采用板單元模擬，支撐采用梁單元模擬。

模型土層參數(shù)的取值如表1所示，土層泊松比均取0.35；地下連續(xù)墻與混凝土支撐(C30)密度取2 500 kg/m3，彈性模量取30 GPa，泊松比取0.2；鋼支撐(Q235)密度取7 800 kg/m3，彈性模量取205 GPa，泊松比取0.3。按施工階段分析,具體模型如圖5所示。

圖5　分析模型

4.1　模擬分析研究

上節(jié)所述工況4是地下連續(xù)墻最大水平位移出現(xiàn)的工況，因此本節(jié)以工況4作為研究工況，該工況下的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，除距離陽角0～10 m范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻出現(xiàn)位移相對較小外，其余部分均基本一致。提取結(jié)果以墻背土體水平位移作為數(shù)據(jù)依據(jù)，結(jié)果顯示基坑跨中CX2截面-12.5 m深度出現(xiàn)地下連續(xù)墻最大水平位移28.74 mm，如圖7(a)所示；基坑CX1，CX3截面-12.4 m深度地下連續(xù)墻水平位移28.62 mm，如圖7(b)；此時(shí)CX1，CX3與CX2的地下連續(xù)墻變形基本完全一致，并未顯示基坑中的長邊效應(yīng)。因此本文在CX1與西側(cè)陽角之間中點(diǎn)位置選取截面CX0，用來體現(xiàn)長邊效應(yīng)的影響，如圖7(c)所示：基坑CX0截面-12.1 m深度地下連續(xù)墻水平位移24.86 mm。

圖6　模擬結(jié)果示意圖(長邊方向墻體水平位移)

圖7　各截面地下連續(xù)墻變形

總體來看，有限元模擬將狹長型基坑的大部分中部范圍按照平面應(yīng)變問題考慮，因此出現(xiàn)有限元模擬結(jié)果對狹長型基坑長邊效應(yīng)的影響程度模擬沒有實(shí)際基坑中的明顯。與實(shí)測數(shù)據(jù)相比，模擬結(jié)果的長邊效應(yīng)主要體現(xiàn)在影響范圍的不同，在工況4的條件下，長邊效應(yīng)影響的范圍小于基坑寬度、深度以及基坑長度的1/3；并且地下連續(xù)墻的最大水平位移位置雖有上移但并不明顯。

4.2　與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析

上文對狹長型地鐵車站基坑的地下連續(xù)墻分別進(jìn)行了實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元模擬分析。對于地下連續(xù)墻變形的分析結(jié)果為：實(shí)測數(shù)據(jù)顯示CX2-1在-13.0 m深度的最大水平位移值為32.88 mm，模擬結(jié)果顯示CX2截面在-12.5 m深度最大水平位移28.74 mm。由此可見，有限元模擬分析很好地驗(yàn)證了地下連續(xù)墻變形實(shí)測數(shù)據(jù)的合理性，并且對該基坑的長邊效應(yīng)影響程度有一定的印證與體現(xiàn)。但是有限元模擬對于工程實(shí)際的模擬仍有很大的近似性，實(shí)際研究中仍應(yīng)以工程實(shí)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

總體來說，2種分析結(jié)果均說明狹長型深基坑受到長邊效應(yīng)的影響，且體現(xiàn)基坑長邊跨中的地下連續(xù)墻水平變形最大值增大以及最大值位置降低。實(shí)際工程中長邊效應(yīng)對地下連續(xù)墻的影響相對工程模擬來說更復(fù)雜，對本文而言，CX2截面實(shí)測比模擬最大水平位移值大14%左右，最大值位置相對更深，而CX1，CX3截面實(shí)測最大位移值比模擬小9%左右，最大值位置相對更淺。進(jìn)而言之，由于狹長型地鐵車站基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般受圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境的變形控制，且狹長型地鐵車站基坑長邊效應(yīng)引起的基坑畸變比模擬計(jì)算要大很多，長邊效應(yīng)的深入研究將為該類基坑的合理設(shè)計(jì)提供參考，應(yīng)該引起重視。

5　結(jié)　論

狹長型地鐵車站基坑深度大、建設(shè)周期長、安全風(fēng)險(xiǎn)大，長邊效應(yīng)對該類基坑具有較大影響，本文通過對佛山軟土地區(qū)該類基坑長邊效應(yīng)的研究，得出以下幾條結(jié)論。

(1)狹長型地鐵車站基坑的長邊效應(yīng)明顯存在。長邊效應(yīng)會造成狹長型地鐵車站深基坑長邊跨中地下連續(xù)墻出現(xiàn)更顯著的水平位移，直接將狹長型基坑近似為平面應(yīng)變問題并不能準(zhǔn)確反映該類基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

(2)長邊效應(yīng)對該狹長型基坑有較大的不利影響。長邊效應(yīng)造成該類地下連續(xù)墻變形畸變加重，不僅會導(dǎo)致基坑兩端頭出現(xiàn)地下連續(xù)墻水平位移較小的現(xiàn)象，而且會使基坑跨中地下連續(xù)墻出現(xiàn)比模擬分析大得多的最大水平位移，同時(shí)長邊效應(yīng)也導(dǎo)致地下連續(xù)墻最大位移值對應(yīng)深度加深，對基坑安全不利。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)增加該類基坑長邊跨中剛度。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度將直接影響到地下連續(xù)墻的最大水平位移值，針對狹長型地鐵車站基坑設(shè)計(jì)時(shí)，基坑跨中應(yīng)增設(shè)加強(qiáng)措施，如更厚的地下連續(xù)墻、更密集的混凝土支撐等，以此減小長邊效應(yīng)對該類基坑的影響，確?；咏ㄔO(shè)期安全。