高新博,李東彪,沈才華,董玉翔
(1.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司,江蘇 宿遷 223800;2.中交南京交通工程管理有限公司,江蘇 南京 211800;3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)
由于巖土工程的地域性,軟土地區(qū)明挖基坑會(huì)對(duì)既有建筑和周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響,若設(shè)計(jì)或施工不當(dāng),易造成既有建筑的破壞并危及工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。針對(duì)臨近變形控制要求高的軌道結(jié)構(gòu),提前采用三維數(shù)值模擬分析,為優(yōu)化施工設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)顯得尤為重要。
在基坑開挖過(guò)程中,開挖深度和規(guī)模對(duì)周圍環(huán)境影響較大,對(duì)此,國(guó)內(nèi)專家學(xué)者展開相關(guān)研究。張治國(guó)[1]等通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),基坑開挖使得大底盤多塔樓樁基產(chǎn)生基坑向的側(cè)移,且與開挖深度呈正相關(guān)。也發(fā)現(xiàn)基坑鄰近隧道受坑內(nèi)土體卸荷引起的收斂變形較大,分區(qū)開挖下圍護(hù)結(jié)構(gòu)和臨近隧道位移明顯減小。王立新[2]等發(fā)現(xiàn),既有隧道和新建基坑附近地表沉降隨水平凈距的減小而增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移與地表沉降規(guī)律一致且與水平凈距的變化無(wú)關(guān)。左自波[3]等總結(jié)得到,上部基坑開挖引起隧道的隆起變形值是相對(duì)開挖寬度的0.19%~1.81%、平均值為相對(duì)開挖寬度的0.37%,并提出軟土地區(qū)雙線隧道最大隆起值的修正經(jīng)驗(yàn)公式。葉帥華[4]等結(jié)合實(shí)際工程與數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),隨著基坑開挖深度的增加,地表沉降最大值出現(xiàn)在離基坑9 m左右位置。魏麗敏[5]等結(jié)合原型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),樁身位移與彎矩分布范圍約為設(shè)計(jì)時(shí)主動(dòng)受力樁的2.1~2.8倍,樁頂水平位移、樁身最大彎矩隨深寬比增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。李超[6]等利用三維仿真分析發(fā)現(xiàn),軟土地區(qū)基坑開挖引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移大于水平位移。陳小雨[7]等通過(guò)理論推導(dǎo),給出了土壓力不變時(shí)基坑間距b的表達(dá)式,并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證。孫波[8]對(duì)比分析二維、三維數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)基坑開挖和回筑完成后,地連墻朝向坑內(nèi)有水平變形。于雅琳[9]通過(guò)ABAQUS模擬發(fā)現(xiàn),基坑底部淤泥質(zhì)黏土體會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,塑性破壞區(qū)主要集中于基坑底部。
綜上所述,國(guó)內(nèi)大部分研究集中在基坑開挖對(duì)臨近建筑的影響,對(duì)于既有天橋下明挖基坑的研究還較少。因此,本文針對(duì)在天橋下基坑開挖工程,采用三維數(shù)值模擬技術(shù),預(yù)測(cè)基坑不同開挖深度對(duì)地層和軌道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,并分析天橋所受的影響,利用分析結(jié)果結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),探討地表安全控制距離和基坑開挖深度。所得結(jié)論可為施工設(shè)計(jì)優(yōu)化和安全控制提供理論依據(jù),也可為類似工程提供參考。
上部樁基結(jié)構(gòu)如圖1所示,明挖基坑在兩側(cè)天橋下穿過(guò)。
圖1 工程上部結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境
根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,地表向下為:a)素填土;b)粉質(zhì)黏土;c)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土1;d)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土2;e)含礫粉質(zhì)黏土;f)圓礫混卵石;g)全風(fēng)化凝灰?guī)r。
根據(jù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,采用ANSYS軟件建立模型如圖2所示。模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=90×130×50,共計(jì)174 014個(gè)單元,181 476個(gè)節(jié)點(diǎn);模型尺寸相對(duì)較大,因此模型左右、前后和底部邊界均為滑移邊界。
圖2 三維有限元計(jì)算模型
模型上部結(jié)構(gòu)為高架結(jié)構(gòu)和附屬天橋結(jié)構(gòu),采用C40混凝土,彈性模量取3.25×104MPa,參照其本構(gòu)曲線取前半段塑性非線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(TB,PLASTIC,,,,KINH)進(jìn)行計(jì)算,見圖3。
圖3 C40混凝土本構(gòu)曲線
地層實(shí)測(cè)物理力學(xué)參數(shù)見表1,各地層實(shí)測(cè)應(yīng)力應(yīng)變曲線位于圖4兩條曲線之間,采用塑性非線性等向強(qiáng)化模型(TB,PLASTIC,,,,MISO)近似處理,如圖4中折線部分。模型采用三維SOLID185單元,由于樁基變形量允許值不大,樁土間不考慮滑動(dòng),采用黏結(jié)協(xié)調(diào)變形模式,為充分反映開挖深度對(duì)周邊環(huán)境的影響,模型不設(shè)置支撐,模擬直接開挖的最不利情況。
圖4 土層非線性應(yīng)力應(yīng)變曲線
表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表
為全面分析基坑開挖過(guò)程中地層空間變形分布情況,選取多條地表路徑和深度路徑,包括:開挖基坑周邊地表路徑PATH1、主體結(jié)構(gòu)主樁基深度路徑PATH2、附屬結(jié)構(gòu)天橋樁基深度路徑PATH3以及軌道樁基承臺(tái)邊緣地表路徑PATH4,具體路徑分布平面圖和立面圖見圖5、圖6。
圖5 計(jì)算路徑平面圖(單位:m)
圖6 計(jì)算路徑立面圖(單位:m)
基坑開挖深度對(duì)周邊的影響最大,結(jié)合工程實(shí)際,選取3種可能的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,基坑開挖深度分別為:7.5 m(工況1)、8.5 m(工況2)、9.5 m(工況3);基坑距天橋樁基1.5 m,距高架樁基6.5 m。
基坑開挖穿越整個(gè)天橋,單側(cè)基坑開挖對(duì)樁基軌道結(jié)構(gòu)最不利,因此對(duì)基坑開挖附近樁基結(jié)構(gòu)側(cè)的安全性、另一側(cè)無(wú)建筑物處地層的變形情況進(jìn)行分析,為后期安全控制和臨時(shí)建筑結(jié)構(gòu)等提供參考依據(jù)。
地表變形規(guī)律沿PATH1計(jì)算,如圖7所示。隨著開挖深度的增加,地表總位移、Y向水平位移、Z向沉降明顯增大,且三者在近基坑處10 m范圍內(nèi)數(shù)值較大,超過(guò)了20 mm,說(shuō)明單側(cè)基坑開挖后,影響區(qū)域主要集中在基坑邊緣附近10 m范圍內(nèi)。工況3下,近地表變形量明顯增加,距基坑5 m處變化最大,說(shuō)明基坑開挖后,距基坑5 m處的變形較為敏感,該區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè),確?;影踩?/p>
圖7 基坑開挖右側(cè)地表不同工況相對(duì)工況1的位移和沉降變化曲線圖
3.2.1 車站主體高架樁基位移及內(nèi)力分析
高架右側(cè)樁基變形規(guī)律沿PATH2計(jì)算,如圖8所示?;娱_挖深度的增加對(duì)高架樁基位移影響較大,影響范圍集中在地表至地下10 m范圍內(nèi),5 m深度左右影響最大。與工況1相比,工況3樁基總位移增加了1倍,但其最大位移小于10 mm,處于安全要求范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)可以保證安全。樁的最大等效應(yīng)力從16.4 MPa改變?yōu)?6.5 MPa,變化很小。
圖8 高架右側(cè)單樁在不同工況相對(duì)工況1的位移和沉降變化曲線圖
3.2.2 天橋樁基的影響分析
天橋左側(cè)樁基沿PATH3變形計(jì)算,如圖9所示。隨著開挖深度的增加,最大總變形量從4 mm增加到7 mm,變化量較小,但不同工況下樁基位移和沉降的改變量相對(duì)較大。天橋樁基距離基坑更近,由于天橋上部結(jié)構(gòu)對(duì)自身樁基起約束作用,其變形量比距離較遠(yuǎn)的軌道樁基小,具有一定的天橋效應(yīng),施工監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)在該區(qū)域加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
圖9 天橋單樁在不同工況相對(duì)工況1的位移和沉降變化曲線圖
軌道承臺(tái)邊緣沿軌道軸線方向的變形沿PATH4計(jì)算,如圖10所示。隨著開挖深度的增加,地表沉降、水平位移、總位移均增大,水平位移、沉降最大增量分別為10.1 mm、2.23 mm,說(shuō)明基坑開挖深度對(duì)其影響程度較小。由于天橋效應(yīng)的影響,天橋附近的軌道承臺(tái)水平位移和沉降都較小,最大總位移量分別為8.05 mm、10.05 mm、13.7 mm,距離天橋較遠(yuǎn)處的總位移分別為16.9 mm、21.6 mm、27.1 mm,增長(zhǎng)了約1倍。說(shuō)明天橋?qū)壍澜Y(jié)構(gòu)有一定保護(hù)作用,但縱向不均勻變形會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)造成不利影響。因此施工時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)措施控制“天橋效應(yīng)”,更好地控制基坑開挖對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響。
圖10 軌道承臺(tái)邊緣沿軌道軸線方向的位移變化曲線圖
隨著基坑埋深的增大,軌道上部結(jié)構(gòu)的最大總位移分別為9.629 mm、12.675 mm、16.723 mm,開挖深度每增加1 m,總位移增加約30%,位移最大值出現(xiàn)在天橋樁基底部,呈“等高線”形式向結(jié)構(gòu)頂部收斂,說(shuō)明基坑開挖對(duì)天橋樁基的影響遠(yuǎn)大于天橋上部;“天橋效應(yīng)”對(duì)高架樁基有一定的位移約束作用,車站底部結(jié)構(gòu)前端的位移小于后端位移;天橋樁基內(nèi)側(cè)等效應(yīng)力最大,這是由于“天橋效應(yīng)”導(dǎo)致高架樁基縱向不利變形,因此需要對(duì)高架樁基采取相應(yīng)的保護(hù)措施。此外,由于上部結(jié)構(gòu)的相對(duì)剛度較大,上部結(jié)構(gòu)內(nèi)等效應(yīng)力最大值幾乎保持不變,分別為17.0 MPa、16.9 MPa、16.9 MPa。
考慮上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力,3種工況下結(jié)構(gòu)都處于安全范圍內(nèi),但根據(jù)規(guī)范要求,附近車站的水平位移控制值為10 mm,因此,建議開挖深度應(yīng)不超過(guò)7.5 m。
基坑開挖深度分別為7.5 m(工況1)、8.5 m(工況2)、9.5 m(工況3)時(shí),PATH1地表最大水平位移分別為49.33 mm、57.31 mm、65.84 mm,增加16.18%、33.47%。軌道承臺(tái)邊緣處最大水平位移分別為16.90 mm、21.51 mm、26.97 mm,增加27.28%、59.59%。為了控制無(wú)建筑物一側(cè)的安全范圍,根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)水平位移控制值[10]為15 mm,3種工況下,安全控制范圍為距離開挖基坑邊界14.4 m、17.6 m、20.8 m。因此,結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)整體考慮,建議采用的開挖深度為7.5 m,無(wú)建筑一側(cè)的安全控制距離為15 m。
本文采用ANSYS軟件建立三維模型,考慮了地層的非線性變形特性,分析了復(fù)雜環(huán)境下基坑開挖深度對(duì)天橋、既有車站和周邊環(huán)境的影響規(guī)律,并根據(jù)位移安全控制值計(jì)算了安全控制距離,主要結(jié)論如下:
a)隨著開挖深度的增加,地表總位移明顯增大,Y向水平位移和Z向沉降變化速率加快,近地表變形量明顯增加,且距基坑5 m處變化最大。車站主體結(jié)構(gòu)總位移增加約30%,但上部結(jié)構(gòu)整體剛度相對(duì)較大,其等效應(yīng)力最大值變化很小。
b)隨著開挖深度的增加,車站高架樁基總位移增約0.004 mm?;娱_挖深度主要影響了高架樁基近地表處的土體水平位移,天橋樁基在高架樁基處充當(dāng)臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu),限制了周圍土體的水平位移和沉降量。
c)天橋處軌道樁基的水平位移比無(wú)天橋處小50%左右,天橋?qū)壍罉痘幸欢ūWo(hù)作用,但其縱向不均勻變形會(huì)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)造成不利影響,因此建議施工時(shí)要采取適當(dāng)措施控制“天橋效應(yīng)”。結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)整體考慮,建議開挖深度設(shè)計(jì)值取7.5 m,安全控制范圍為距離基坑開挖邊界15 m。