PBA工法中邊樁參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究

劉　軍，荀桂富，章良兵，陳昊祥

(北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京　100044)

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PBA工法中邊樁參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響研究

劉軍，荀桂富，章良兵，陳昊祥

(北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京100044)

以北京地鐵6號(hào)線(xiàn)北海北站工程為背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬的方法，研究不同的邊樁嵌入深度和邊樁直徑下地層沉降、邊樁水平位移和洞底塑性區(qū)的規(guī)律。研究分析表明：地表沉降和邊樁水平位移隨著邊樁嵌入深度的增加而減少；當(dāng)嵌入深度一定時(shí)，不同邊樁直徑下對(duì)邊樁水平位移的影響大于對(duì)地表沉降的影響；嵌入深度與洞底塑性區(qū)特性具有明顯關(guān)系，嵌入深度小會(huì)使洞底、洞頂土體產(chǎn)生較大塑性區(qū)。

地鐵車(chē)站；PBA工法；數(shù)值模擬；地表沉降；邊樁水平位移；塑性區(qū)

1　概述

隨著地鐵工程在我國(guó)的大量修建，PBA法在地鐵施工中以其獨(dú)特的施工方法得到了廣泛的應(yīng)用。PBA法是在傳統(tǒng)的淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上結(jié)合了蓋挖法的特點(diǎn)，在暗挖好的導(dǎo)洞內(nèi)施作邊樁、梁與柱，共同構(gòu)成樁、梁、拱的橫向框架支撐體系，在該體系的保護(hù)下進(jìn)行土體開(kāi)挖，施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1-5]。在PBA法中，邊樁是車(chē)站主體開(kāi)挖過(guò)程中主要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，又與梁、拱組成橫向框架支撐體系，承受上部荷載，也受到樁后地層傳來(lái)的側(cè)向壓力[6-7]。邊樁的嵌入深度直接決定了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和地層變形，故確定邊樁的合理入土深度是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。以北京地鐵6號(hào)線(xiàn)北海北站為研究背景，通過(guò)采用FLAC3D[8]數(shù)值模擬分析的方法研究不同的邊樁嵌入深度和邊樁直徑下地層沉降、邊樁水平位移和洞底塑性區(qū)的規(guī)律。

2　工程概況

圖1　北海北站橫斷面和地質(zhì)剖面(單位：mm)

北京地鐵6號(hào)線(xiàn)北海北站位于北海公園北門(mén)的西側(cè)約200 m，東官房公交車(chē)站處，沿地安門(mén)西大街呈東西走向，車(chē)站為雙層兩跨兩連拱斷面全暗挖島式車(chē)站，PBA法施工，車(chē)站有效站臺(tái)中心里程為K9+701.336 m。車(chē)站主體長(zhǎng)202 m，主體寬22 m，覆土厚度為10.46 m，結(jié)構(gòu)高度為17.17 m，底板埋深約為23.96 m，覆跨比為0.48。下層中導(dǎo)洞的尺寸為5.6 m×4.8 m，下層邊導(dǎo)洞尺寸為5.0 m×4.8 m，上層中導(dǎo)洞的尺寸為4.1 m×5.1 m，上層邊導(dǎo)洞尺寸為4.1 m×4.6 m，車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)。車(chē)站的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面和地質(zhì)剖面如圖1所示。車(chē)站結(jié)構(gòu)上覆土以粉土填土①1，粉土③層，粉質(zhì)黏土③1層；其中地鐵車(chē)站上導(dǎo)洞穿越的主要地層為粉土③層，粉質(zhì)黏土③1層，下導(dǎo)洞穿越的主要地層為卵石⑦1層。

3　施工方案與計(jì)算模型的確定

3.1施工方案

在PBA工法的基礎(chǔ)上將下層導(dǎo)洞刪除，只開(kāi)挖上層導(dǎo)洞，延長(zhǎng)中柱長(zhǎng)度，利用樁基替代條基。通過(guò)設(shè)置不同的邊樁嵌入深度(3、4、5、6、7 m)來(lái)研究地表沉降、邊樁水平位移和塑性區(qū)的規(guī)律，其中邊樁采用φ1 000 mm@1 500 mm布置；接著在邊樁長(zhǎng)度滿(mǎn)足穩(wěn)定性和承載力的前提下，研究不同邊樁直徑對(duì)地表沉降和邊樁水平位移的影響。施工方案標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見(jiàn)圖2。

圖2　施工方案標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

3.2數(shù)值模型及參數(shù)

車(chē)站模型分析采用地層結(jié)構(gòu)模型通過(guò)FLAC3D進(jìn)行模擬分析，在模型中，上表面取至地表，考慮到開(kāi)挖范圍的影響，下表面至底板結(jié)構(gòu)高程為2.5倍的車(chē)站高度，模型的總寬度為7倍的車(chē)站寬度，縱向長(zhǎng)度取為30 m。模型邊界條件為：上表面自由，下表面完全約束，四周限制各邊界的水平位移；在模型的上表面施加了20 kPa的地面超載；頂縱梁、冠梁、二襯都采用實(shí)體單元模擬，考慮到當(dāng)邊樁入土深度不大時(shí)，結(jié)構(gòu)與土體之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移，故邊樁用pile單元模擬，初支采用shell結(jié)構(gòu)單元模擬，鋼系桿及中柱采用beam結(jié)構(gòu)單元模擬，超前小導(dǎo)管與管棚等的預(yù)支護(hù)等價(jià)于環(huán)形加固圈，通過(guò)增大該部分的模型參數(shù)來(lái)模擬。土體按照實(shí)體單元進(jìn)行模擬，屈服準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[9-15]。車(chē)站最初模型見(jiàn)圖3，施工方案模型見(jiàn)圖4。

圖3　車(chē)站最初模型

圖4　施工方案模型

為了更好地模擬地鐵車(chē)站的實(shí)際施工過(guò)程，以便準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)值模擬分析與對(duì)比，將PBA工法分為4個(gè)典型施工階段進(jìn)行模擬：(1)導(dǎo)洞開(kāi)挖完成階段；(2)梁、柱體系施工階段；(3)扣拱施工階段；(4)土方開(kāi)挖及主體結(jié)構(gòu)施工階段；同時(shí)，導(dǎo)洞開(kāi)挖與拱部土體采用1 m循環(huán)開(kāi)挖。數(shù)值計(jì)算中取模型縱向15 m處為監(jiān)測(cè)斷面。

4　計(jì)算結(jié)果與分析

4.1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

北海北站監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖5所示，其中選取主測(cè)斷面2中的測(cè)點(diǎn)DB-15-05的累計(jì)沉降值進(jìn)行分析；根據(jù)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演地層參數(shù)，用所求參數(shù)進(jìn)行后續(xù)數(shù)值模擬。車(chē)站最初模型中地層豎向位移見(jiàn)圖6。實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖5　監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖6　車(chē)站最初模型豎向位移(單位：mm)

圖7　計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，地表沉降累計(jì)平均值為63.83 mm，各階段地表沉降值為30.38、5、26.97、0.47 mm，比例為0.49∶0.08∶0.42∶0.01，相應(yīng)地，模擬值中，地表沉降累計(jì)平均值為62.54 mm，各階段地表沉降值為36.06、3.64、22.56、0.28 mm，比例為0.57∶0.06∶0.36∶0.01，監(jiān)測(cè)值與模擬值基本符合，趨勢(shì)基本一致，故以此參數(shù)作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)(表1)。

表1　數(shù)值模擬中地層參數(shù)取值

4.2不同邊樁嵌入深度下對(duì)地表沉降和邊樁位移的影響分析

根據(jù)假定的施工方案，模擬的邊樁嵌入深度下地表沉降和邊樁水平位移的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8、圖9。

圖8　不同邊樁入土深度下地表沉降槽曲線(xiàn)

圖9　不同邊樁入土深度下邊樁水平位移曲線(xiàn)

研究結(jié)果表明，邊樁嵌入深度從3 m變化到7 m，地表沉降與地表沉降槽寬度系數(shù)均呈減小趨勢(shì)，其中地表沉降大約減小了4.41 mm，并且地表沉降變化速率隨著邊樁嵌入深度的增加而降低。同樣，由不同邊樁入土深度下邊樁水平位移曲線(xiàn)圖可知，不同邊樁入土深度下邊樁水平位移的變化規(guī)律基本相同；隨著邊樁嵌入深度的加大，邊樁水平位移也呈減小趨勢(shì)，由入土深度為3 m時(shí)的18.85 mm減小到7 m時(shí)的16.54 mm，減小了2.31 mm，減小幅度為12.25%，同時(shí)邊樁水平位移變化速率也隨著邊樁入土深度的增加而降低。其中，邊樁最大水平位移大約發(fā)生在距離底板結(jié)構(gòu)4 m處。因此，在邊樁滿(mǎn)足穩(wěn)定性與承載力的前提下，依靠增加邊樁入土深度來(lái)減小變形是不合理的，并且，當(dāng)邊樁入土深度在6 m以后，地表沉降與邊樁最大位移隨著邊樁入土深度的增加而減小的速率趨向平緩。

4.3不同邊樁直徑下對(duì)地表沉降和邊樁位移的影響分析

以邊樁嵌入深度6 m為基礎(chǔ)，通過(guò)改變邊樁樁徑的大小(φ800 mm@1 500 mm、φ900 mm@1 500 mm、φ1 000 mm@1 500 mm、φ1 100 mm@1 500 mm)，研究不同樁徑條件下，對(duì)地表沉降與邊樁水平位移的影響規(guī)律。模擬計(jì)算的不同邊樁直徑下的地表沉降和邊樁水平位移的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10、圖11。

圖10　不同邊樁直徑下地表沉降槽曲線(xiàn)

圖11　不同邊樁直徑下邊樁水平位移曲線(xiàn)

研究結(jié)果表明：當(dāng)邊樁入土深度為6 m，邊樁布置從φ800 mm@1 500 mm變化到φ1 100 mm@1 500 mm時(shí)，地表累計(jì)沉降值與地表沉降槽寬度系數(shù)呈減小趨勢(shì)，但變化幅度較小，其中地表沉降累計(jì)值減小2.30 mm，其中地表沉降的變化速率隨著邊樁樁徑的增大而減??；邊樁的水平位移隨著樁徑的增加而減小，由樁徑為800 mm時(shí)的22.16 mm減小到樁徑為1 100 mm時(shí)的15.16 mm，減小幅度為31.59%，同樣的，邊樁水平位移的變化速率隨著邊樁樁徑的增大而減小。由此可見(jiàn)，在邊樁滿(mǎn)足整體穩(wěn)定性與承載力的基礎(chǔ)上，在相同的嵌入深度的條件下，邊樁樁徑的變化對(duì)邊樁水平位移的影響較大，對(duì)地表沉降影響較小。故在本文中樁徑選取為1 000 mm。

4.4不同邊樁嵌入深度下對(duì)洞底塑性區(qū)分布的影響

隨著洞內(nèi)土體的開(kāi)挖，作用在邊樁外側(cè)的水平荷載超過(guò)邊樁內(nèi)土體的抗剪強(qiáng)度時(shí)，則產(chǎn)生洞外向洞內(nèi)的塑性流動(dòng)，塑性區(qū)內(nèi)的土體將出現(xiàn)松散、膨脹和破壞，導(dǎo)致底部出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。文獻(xiàn)[16]研究了明挖基坑的坑底隆起現(xiàn)象，參照該文獻(xiàn)，提出用嵌入比λ來(lái)描述，即

式中，hp為塑性區(qū)深度；hd為嵌入深度。

λ物理意義為：當(dāng)洞內(nèi)底板以下土體塑性區(qū)深度與邊樁嵌入深度之比大于1.5時(shí)，洞內(nèi)底部可能會(huì)發(fā)生因土體隆起而失穩(wěn)現(xiàn)象。邊樁不同嵌入深度下車(chē)站底部土體塑性區(qū)分布見(jiàn)圖12、圖13。

圖12　邊樁入土深度為3 m時(shí)的塑性區(qū)分布

圖13　邊樁入土深度為7 m時(shí)的塑性區(qū)分布

由圖12、圖13可知，車(chē)站底部塑性區(qū)主要集中在邊樁與洞底交界處以下一定的深度內(nèi)，并且，不同的邊樁嵌入深度下的塑性區(qū)分布形狀基本相同，但當(dāng)邊樁嵌入深度為3 m或4 m時(shí)，土體塑性區(qū)體積為最大且要大于其他幾種邊樁嵌入深度的情況，此時(shí)結(jié)構(gòu)底部土體可能會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的破壞區(qū)，并且此時(shí)地表沉降與邊樁水平位移都偏大。而當(dāng)邊樁嵌入深度大于6 m時(shí)，塑性區(qū)范圍減小且相對(duì)平緩，通過(guò)邊樁的水平位移地表沉降分析，洞內(nèi)結(jié)構(gòu)是安全的且地表沉降減小，且隨著邊樁嵌入深度的加大，嵌入比越來(lái)越小，車(chē)站整體穩(wěn)定性越好。不同邊樁嵌入深度下嵌入比計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表2。

表2　穩(wěn)定系數(shù)與塑性區(qū)體積計(jì)算結(jié)果

5　結(jié)論

以北京地鐵6號(hào)線(xiàn)北海北站為例，在改變PBA導(dǎo)洞型式的基礎(chǔ)上，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬分析，研究了邊樁嵌入深度和邊樁直徑對(duì)地層變形、邊樁水平位移及洞底土體塑性區(qū)的影響，研究結(jié)論如下。

(1)地表沉降和邊樁水平位移隨著邊樁嵌入深度的增加而減少，當(dāng)嵌入深度大于某個(gè)數(shù)值后，減小趨于平緩(對(duì)于本案例為6 m)。

(2)當(dāng)邊樁嵌入深度固定時(shí)，地表沉降和邊樁水平位移隨著邊樁直徑的增加而減少，且對(duì)邊樁水平位移的影響較大。

(3)邊樁嵌入深度與洞底塑性區(qū)特性具有明顯關(guān)系，嵌入深度小會(huì)使結(jié)構(gòu)周?chē)a(chǎn)生較大塑性區(qū)，從而影響PBA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；隨著邊樁嵌入深度的增加，塑性區(qū)范圍減小且相對(duì)平緩。

(4)邊樁嵌入比能很好地描述嵌入深度與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性關(guān)系，但需要分析計(jì)算塑性區(qū)的深度。

本文以卵石地層為例進(jìn)行分析，但在砂層、細(xì)顆粒土中具有類(lèi)似的規(guī)律，均可用邊樁嵌入比來(lái)表征結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在滿(mǎn)足邊樁豎向承載力前提下，確定邊樁的嵌入深度是相當(dāng)重要的，因此嵌入比的提出，對(duì)指導(dǎo)PBA法的設(shè)計(jì)與施工具有較好的參考借鑒意義。

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Influence of Side-pile Parameters of PBA Construction Method on Structural Stability

LIU Jun， XUN Gui-fu， ZHANG Liang-bing， CHEN Hao-xiang

(School of Civil and Transportation Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 100044， China)

With reference to BEIHAI North Station project of Beijing metro line 6， the settlement of stratum， horizontal displacement of side-pile and plastic zone of the tunnel bottom are analyzed at different embedded depths and diameters of side-piles with the numerical method of FLAC3D. The results show that the settlement of surface and horizontal displacement of side-pile decrease with the increase of the embedded depth of the side-pile; when the embedded depth of side-plies is fixed， the influence on the side-pile horizontal displacement generated by varying diameter of side-pile is greater than the influence on surface settlement; the close relation between the embedded depth and the bottom plastic zone suggests that shallow embedded depth generates bigger plastic zone in the tunnel top soil mass.

Metro station; PBA method; Numerical simulation; Surface subsidence; Side-pile horizontal displacement; Plastic zone

2015-12-21；

2016-01-14

北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(KZ20131001601)；北京市屬高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)與教師職業(yè)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目

劉軍(1965—)，男，教授，1998年畢業(yè)于成都理工大學(xué)巖土與地下工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)博士，主要從事巖土與地下工程的教學(xué)與研究工作，E-mail：liujun01@tsinghua.org.cn。

1004-2954(2016)09-0118-05

U231+.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.026