黃土地區(qū)地鐵車(chē)站基坑變形數(shù)值分析★

楊海峰，牛錦濤，商寧坤，吳 明

(1.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院,陜西 西安 710054; 2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程系,陜西 西安 710054)

0 引言

目前全國(guó)各大城市地鐵建設(shè)緊鑼密鼓,地鐵建設(shè)中車(chē)站基坑往往比較深,而且基坑開(kāi)挖多處于城市繁華中心。那么對(duì)于深基坑開(kāi)挖所引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面變形研究非常重要,其對(duì)于基坑安全施工,節(jié)約工程造價(jià)有著指導(dǎo)意義。以文獻(xiàn)[1-2]為代表的大量研究主要是軟土地區(qū)的基坑成果,不完全適用于黃土地區(qū)。為此,許多研究者[3-7]對(duì)黃土地區(qū)的基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)資料規(guī)律性總結(jié)和施工過(guò)程數(shù)值分析。盡管如此,黃土地區(qū)的研究成果相對(duì)于軟土地區(qū)少之又少。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展,數(shù)值方法研究日新月異,研究人員和工程師[8-11]利用數(shù)值手段研究基坑開(kāi)挖過(guò)程力學(xué)行為和變形規(guī)律,對(duì)于基坑研究非常有幫助。因此,本文擬從數(shù)值計(jì)算角度研究黃土地區(qū)某基坑施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面變形,以期對(duì)于黃土地區(qū)基坑研究提供一定借鑒。

1 工程概況和場(chǎng)地地質(zhì)條件

1.1 工程概況

西安地鐵某地鐵車(chē)站主體基坑平面尺寸146.84 m×26.96 m,基坑深度約17.84 m,局部深度18.91 m。如圖1所示,基坑圍護(hù)采用φ1 000@1 400 mm旋挖樁,設(shè)三道內(nèi)支撐。樁間采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土擋土,支護(hù)樁嵌固深度為5 m,6 m和7 m。第一道支撐為寬1 200 mm×高1 400 mm(路面鋪蓋下)和寬1 200 mm×高800 mm鋼筋混凝土撐,水平間距約6 m;第二、三道支撐為φ600×14 mm鋼支撐,預(yù)加軸力600 kN和500 kN,水平間距約3 m,支撐軸力約1 944 kN;腰梁采用2 Ⅰ 45C組合鋼圍檁。

1.2 場(chǎng)地水文和地質(zhì)條件

如圖2所示土層依次為填土類(lèi),③-1-1新黃土,③-1-2新黃土,③-2-2層古土壤,④-1-2老黃土,④-4粉質(zhì)黏土,④-7中砂,④-12沖積黏土。潛水賦存于古土壤、黃土和粉質(zhì)黏土及其砂夾層中。主要含水層為粉質(zhì)黏土層中砂夾層,該層透水性好,賦水性強(qiáng)。地下水位埋深約19 m?；又苓叧嚯x基坑200 m的f9地裂縫外,無(wú)不良地質(zhì)災(zāi)害。各層土工參數(shù)如表1所示。

表1 巖土參數(shù)

2 3D數(shù)值仿真

2.1 計(jì)算模型

數(shù)值模型如圖2所示,本次計(jì)算地層尺寸長(zhǎng)×寬×高(厚)為317 m×142 m×80 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示,計(jì)算尺寸為長(zhǎng)×寬×高(厚)為197 m×26 m×23 m。數(shù)值模型3D單元44 287個(gè),節(jié)點(diǎn)43 889個(gè),2D單元4 189個(gè),節(jié)點(diǎn)2 781個(gè),1D單元47 349個(gè),計(jì)算所有工況費(fèi)時(shí)18 h?；訃o(hù)采用直徑1 m的鉆孔灌注樁,樁中心距1.4 m。基坑工程中這樣的樁實(shí)際上可以簡(jiǎn)化成連續(xù)的墻,簡(jiǎn)化原理如圖4和式(1)所示,計(jì)算后墻體厚度約為0.75 m,建立的基坑圍護(hù)模型如圖3所示。

(1)

基坑采用三道支撐,第一道支撐為混凝土支撐,路面蓋板下對(duì)撐截面1.2 m×1 m(h),上覆400 mm空心混凝土板及150 mm混凝土路面措施。挖土工作面對(duì)撐截面1.2 m×0.8 m(h),吊車(chē)行走范圍連系梁截面為1.2 m×1 m(h),之外截面為1.2 m×0.8 m(h),壓頂冠梁截面為1.5 m×0.8 m(h),混凝土角撐截面為0.6 m×1.0 m(h)。第二、三道支撐采用φ600鋼支撐,壁厚分別為16 mm和14 mm,腰梁和連系梁均為2×45C工字鋼。立柱采用旋挖樁,直徑1.4 m,中心距6.0 m。計(jì)算過(guò)程采用彈性力學(xué)板殼單元模擬鋪蓋板,梁?jiǎn)卧M對(duì)撐、腰梁、連系梁和立柱,計(jì)算空間模型如圖5所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)和工況

基坑圍護(hù)構(gòu)件中立柱深度最大,達(dá)到了53 m,持力層基本為粉質(zhì)黏土,因此計(jì)算過(guò)程主要考慮6層土體,數(shù)值計(jì)算時(shí)土體為彈塑性材料,服從摩爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則,計(jì)算參數(shù)如表1所示。后村車(chē)站基坑施工工序較為復(fù)雜有12步之多,3D數(shù)值計(jì)算工作量非常大。因此,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化為主要的5個(gè)步驟,如表2所示。

表2 計(jì)算工況

3 仿真結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

圖6和圖7分別是施加工況3—工況6時(shí)工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形曲線(xiàn)。從圖6和圖7中可以看到工況3時(shí)(開(kāi)挖至約2 m)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形發(fā)生在坑底以下約6.5 m的地方。這是由于施加了地面15 kPa超載的緣故,荷載傳遞到較深土體,使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形發(fā)生在坑底以下6.5 m位置。當(dāng)施加工況4時(shí)(開(kāi)挖至約8.4 m)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形位置基本沒(méi)有發(fā)生改變,但是量值有所增加。這說(shuō)明超載引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形深度基本為坑底下6.5 m左右。進(jìn)一步可以得到啟示:基坑施工過(guò)程盡量不要于側(cè)壁周邊堆鋼筋、水泥和磚石等材料,以免引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大。隨著施加工況5和工況6(分別開(kāi)挖至14.7 m和18.5 m)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)一步增大,最大變形位置發(fā)生轉(zhuǎn)變到坑底以上。隨著基坑開(kāi)挖深度增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形位置有所下移,但是始終位于基坑開(kāi)挖面以上。該現(xiàn)象于一般軟土基坑中,最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形發(fā)生于坑底附近,甚至坑底以下的情況不同。這也反映出黃土強(qiáng)度高于軟土的特性。從圖6和圖7中還可以看出,端頭井較標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形大,該現(xiàn)象并不違背基坑的“空間效應(yīng)”原理。正是標(biāo)準(zhǔn)段采用了對(duì)撐,其剛度強(qiáng)于端頭井的斜撐而引起的。

圖8為開(kāi)挖至坑底時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿著車(chē)站橫向的變形云圖。

從圖8中可以看出圍護(hù)結(jié)構(gòu)在坑底上方附近變形較大,并且變形呈現(xiàn)三維效應(yīng),說(shuō)明基坑的“空間效應(yīng)”普遍存在。從該現(xiàn)象可以看出,基坑設(shè)計(jì)時(shí)可以把對(duì)撐加強(qiáng),而邊、角支撐可相對(duì)弱些,便于節(jié)省材料。

圖9為圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體側(cè)向變形對(duì)比曲線(xiàn),圖中反映隨著基坑開(kāi)挖深度增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體之間存在變形不一致的現(xiàn)象,即脫空現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑工程中有實(shí)測(cè)資料證實(shí),但是采用圍護(hù)樁的基坑中,實(shí)測(cè)資料中鮮有所聞。本文計(jì)算為了簡(jiǎn)便根據(jù)剛度相等原理,把圍護(hù)樁簡(jiǎn)化為連續(xù)墻才會(huì)有此現(xiàn)象。

3.2 地面沉降分析

圖10是地面沉降曲線(xiàn),從圖中可以看到坑后地面沉降呈拋物線(xiàn)形態(tài)。其表達(dá)式可以近似用三段直線(xiàn)來(lái)表示。

圖10中最大沉降量發(fā)生在距離基坑側(cè)壁16 m的位置,約為基坑開(kāi)挖深度的0.86倍,大于軟土地區(qū)的0.5倍開(kāi)挖深度(見(jiàn)圖11)。由于黃土強(qiáng)度普遍高于軟土,該基坑最大沉降量約為1.5 cm(見(jiàn)圖12),因此其影響分區(qū)不能像圖11那樣劃分。本文算例中基坑側(cè)壁到最大沉降量處水平距離為16 m,小于基坑開(kāi)挖深度18.5 m,該區(qū)域斜率較大,可以定義為主要影響區(qū)。而最大沉降量至未變形區(qū)域約為24 m,大于基坑開(kāi)挖深度,那么該區(qū)域可以定義為次要影響區(qū)域。其余為未影響區(qū)域,沉降分區(qū)劃分如圖10所示。

3.3 監(jiān)測(cè)資料與數(shù)值結(jié)果對(duì)比分析

圖13為該基坑局部圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜管和地面沉降點(diǎn)平面布置圖,其中代表性的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析繪制于圖7和圖10中。圖7和圖10測(cè)斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較數(shù)值計(jì)算結(jié)果小少許,總體趨勢(shì)規(guī)律較為相符,反映出數(shù)值結(jié)果能較好的模擬基坑施工過(guò)程力學(xué)效應(yīng)對(duì)基坑周邊土體的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)黃土地層蓋挖順作基坑實(shí)例的數(shù)值分析,分析了黃土基坑坑后的變形特性,得到了如下結(jié)論:

1)由于黃土強(qiáng)度普遍高于軟土,導(dǎo)致黃土地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生于坑底以上。2)黃土地區(qū)同樣空間效應(yīng)明顯,建議可以充分利用,加強(qiáng)對(duì)撐設(shè)計(jì),邊、角支撐可以適當(dāng)弱化,以便于節(jié)省材料。3)蓋挖順作基坑地面沉降類(lèi)似于拋物線(xiàn)形,可以分為3個(gè)變形區(qū)域,其中主要變形區(qū)域距離基坑側(cè)壁為0.86基坑開(kāi)挖深度;次要變形區(qū)距離基坑側(cè)壁1.9基坑開(kāi)挖深度,完全不同于軟土地區(qū)。對(duì)于黃土地區(qū)地面分區(qū),建議影響分區(qū)不要照搬軟土地區(qū)經(jīng)驗(yàn),應(yīng)根據(jù)斜率要求具體劃分。