偏壓異型深基坑支護結構內(nèi)力和變形分析

錢葉琳，歐 強，高海云，王 潔，呂衛(wèi)柯，汪亦顯

(1.安徽路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 210029；2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；3.合肥市重點工程建設管理局，安徽 合肥 230001)

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偏壓異型深基坑支護結構內(nèi)力和變形分析

錢葉琳1, 2，歐 強2，高海云3，王 潔1，呂衛(wèi)柯1，汪亦顯2

(1.安徽路橋工程集團有限責任公司，安徽 合肥 210029；2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；3.合肥市重點工程建設管理局，安徽 合肥 230001)

以合肥地鐵1號線、2號線換乘站大東門地鐵偏壓異型深基坑工程為背景，采用FLAC3D建立數(shù)值計算模型模擬開挖施工過程，考慮支護結構與土體的相互作用，計算和對比分析偏壓異型深基坑地下連續(xù)墻的內(nèi)力和變形，得到其分布規(guī)律。結果表明：深基坑支護結構異型點的主應力比直臂部分的主應力大，而且應力集中現(xiàn)象也較為明顯，水平方向的變形比同等條件下直臂部分也要大，異型部分的受力和變形都是深基坑的最不利情況。

異型；深基坑；地連墻；內(nèi)力；變形；FLAC3D

在地鐵車站深基坑建設中，通常都采用地下連續(xù)墻支護來確保深基坑施工期間的安全和基坑周邊建筑物的穩(wěn)定。因此，對于地下連續(xù)墻的研究分析具有重要的價值[1-2]。國內(nèi)外很多學者對單片地連墻進行了研究和分析[3-15]，得到了很多研究成果，為偏壓異型地連墻的研究提供了有益的參考。然而，異型地連墻與單片地連墻無論在結構形式還是在受力特性上都存在很大的差別[16-20]。本文基于合肥市地鐵1號線、2號線換乘站大東門偏壓異型深大基坑工程。采用FLAC3D對合肥地鐵大東門偏壓異型深大基坑的支護結構內(nèi)力和變形進行數(shù)值模擬，據(jù)此分析基坑外土體的變形、支護結構的內(nèi)力和變形等，為偏壓異型基坑開挖和安全施工提供指導依據(jù)。

1　偏壓異型深基坑數(shù)值模擬分析

1.1工程概況

擬建大東門地鐵車站東北側(cè)有古井假日酒店(29層)、古井賽特商城(5層)，站東南側(cè)有省交通投資集團公司(4～6層)。建筑物距離車站主體較近，賽特商城距離車站主體最近處僅為5m。施工過程中，若圍護結構產(chǎn)生較大位移或土體坍塌，會對已有建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，并且會引起基坑土體變形及地面沉降；同時建筑物對相鄰一側(cè)基坑側(cè)壁產(chǎn)生附加荷載，增加了支護結構的受力，不利于支護結構的穩(wěn)定。根據(jù)工程施工方案，基坑采用逆作法施工。在不影響計算精度要求下，本基坑擬分為六步進行模擬開挖。

1.2模型建立

模型坐標原點取在1號樁中心點，地表z=0，模型X軸方向(垂直1號線主體基坑軸線)為390 m，Y軸方向(平行1號線主體基坑軸線)300 m，Z軸方向(垂直向上)長100 m，即模型尺寸390 m×300 m×100 m。土層、地下連續(xù)墻、頂樓板、中間板、底板均采用實體單元，實體單元采用四面體單元，離散后的單元數(shù)為297 495個，節(jié)點數(shù)為51250個。離散后的計算模型如圖1所示。

1.3初始應力場及邊界條件

假定巖體為均質(zhì)、連續(xù)的各項同性體，巖體的自重應力場如下：

σz=γ·H

(1)

(2)

式中：μ-泊松比；H-巖體至地表的距離，m；γ-上覆巖層容重，N/m；σx、σy、σz分別為X、Y、Z方向的自重應力場，MPa；

此外，深基坑還受到圣大國際酒店100kPa、圣大國際裙樓30kPa、金利銀路酒店30kPa等建筑物的偏壓作用，模擬計算過程中建筑偏壓均按均布荷載作用到地表相應位置。在充分考慮邊界效應的情況下，模型四周及底面滾支承約束。

1.4 計算參數(shù)選取

基坑范圍內(nèi)主要土層為粉質(zhì)粘土：填土①層、雜填土①1層、粘土②層、粉質(zhì)粘土②1層、粉土②2層、粉細砂②3層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土②4層，對土體選取適當合理的力學參數(shù)是保證計算可靠的重要條件。計算中土體采用Mohr-Coulomb本構模型，其基本力學參數(shù)如表1所示，其中土體彈性模量按經(jīng)驗取壓縮模量的3倍，泊松比由土體側(cè)壓系數(shù)反算，本構模型均采用線彈性模型。

表1　土層基本力學參數(shù)

2　模擬結果

2.1偏壓異型深基坑支護結構內(nèi)力分析

圖2為各監(jiān)控點的大主應力曲線圖，監(jiān)控點1和監(jiān)控點2是偏壓異型的典型，監(jiān)控點7和監(jiān)控點11是直臂的代表。在偏壓荷載作用下，隨著基坑的開挖，各點的大主應力都呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，在異型點處大主應力增長較快，各工況下的大主應力均大于直臂部分的大主應力，表現(xiàn)出較為明顯的應力集中現(xiàn)象，直臂部分大主應力雖然也在增長，但是增長的速率較為緩慢。在工況6的監(jiān)控點1、2的大主應力達到4.5mPa左右，而此時監(jiān)控點7、11的大主應力卻只有1.5～1.8 MPa左右，增加了近200%，增幅較大。

圖3為各監(jiān)控點的主應力差曲線圖，同樣可知異型點1、2的主應力差較直臂監(jiān)控點7、11的主應力差大，在基坑開挖的過程中，主應力差越大，意味著該點的受力狀況越復雜，對地下連續(xù)墻的異型點來說，也就是應力集中越明顯，是整個基坑的薄弱環(huán)節(jié)，在工況6的測點1、2的主應力差為30 MPa左右，點7、11的主應力差為10 MPa左右，增加了200%，增幅較大。

通過分析可知，地下連續(xù)墻交叉點、圍護結構與主體結構接觸以及深淺基坑交界處均存在較大的主應力，說明這些地方存在應力集中現(xiàn)象，建議在主體結構滿足設計要求的前提下，在維護結構施作(即地下連續(xù)墻施工)的時候，在應力集中部位(特別是異型處)可選用有效的連接或接觸措施，如選用半剛性節(jié)點，設置柔性層等，允許主體結構與支護結構的少量變形，以緩解應力集中現(xiàn)象，避免地下連續(xù)墻遭受破壞。

2.2地下連續(xù)墻隨開挖深度的水平變形

圖4所示為各工況各監(jiān)控點沿墻體埋深的水平位移變化規(guī)律曲線?；娱_挖施工對周圍建筑物產(chǎn)生擾動，使土體、圍護結構及基坑樁體等產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力。隨著深度的加大，地連墻圍護結構水平變形不斷增大，墻體向基坑內(nèi)不斷發(fā)展變形，形態(tài)上呈凸肚狀。受周邊建筑附加偏壓環(huán)境的影響，凸肚略低于開挖坑底標高，并隨開挖深度的加大，凸肚逐漸向下移動。該現(xiàn)象在異型處表現(xiàn)的十分明顯，而在直臂部分則沒有這么突出。

2.3基坑開挖對地下連續(xù)墻圍護結構水平變形的影響分析

根據(jù)各工況模擬計算結果，對圖4所示的地下連續(xù)墻監(jiān)控點沿墻體埋深的水平位移進行了數(shù)據(jù)監(jiān)控采集，圖5為各開挖工況的剖面位移等值云圖。

由圖5(a)可知地下連續(xù)墻在偏壓作用下位移的基本規(guī)律：靠近偏壓側(cè)的地連墻各項位移均大于遠離偏壓側(cè)的地連墻各項位移，而且在近偏壓的異型處出現(xiàn)了最大位移，且由異型點處大致呈橢圓弧狀向外發(fā)散，異型點是該基坑的薄弱環(huán)節(jié)；由圖5(b)分析，在開挖到第2工況的時候，在幾個異型處都出現(xiàn)了較大的位移，且由該異型處向外發(fā)散位移逐漸減小。

由圖5可以看出，在基坑剛開挖時，水平位移最大的土體出現(xiàn)在異型處，對于偏壓異型基坑來說，在沒有采取任何加固的輔助施工措施前，最危險的就是偏壓異型處，因為土的抗剪摩擦力及支護結構可能滿足不了懸掛的要求。在進行數(shù)值模擬時，異型地連墻周圍認為己經(jīng)注漿加固，在開挖的過程中，由圖5可看出水平最大位移仍然出現(xiàn)在異型處，可見在開挖之前進行注漿是必要的。隨著基坑開挖深度的增加，我們可以看到，異型處的水平位移雖然在逐漸增加，但每一步開挖完成后,發(fā)生最大水平位移的土體為基坑離地表處。這是由于支護結構隨著基坑開挖的不斷變形，給土體水平變形提供了可能。

3　結論

1)基坑開挖對周圍建筑物產(chǎn)生擾動，使土體、圍護結構及基坑樁體等產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力。隨著深度的加大，地連墻圍護結構水平變形不斷增大，墻體向基坑內(nèi)不斷發(fā)展變形，形態(tài)上呈凸肚狀。受周邊建筑附加偏壓環(huán)境的影響，凸肚略低于開挖坑底標高，并隨開挖深度的加大，凸肚逐漸向下移動。

2)基坑開挖對地連墻受力狀態(tài)影響，支護結構在橫向荷載作用下，支護結構產(chǎn)生橫向位移或撓曲，并與地連墻、主體結構協(xié)調(diào)變形。異型處的主應力易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，異型處的大主應力可達直臂部分主應力的3倍，導致地連墻局部出現(xiàn)塑性區(qū)，降低地連墻的抗力。

3)偏壓基坑開挖應采用主動加固方式，即“先加固、后開挖”的方式加固地層及建(構)筑物。

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(責任編輯王利君)

Analysis of internal force and deformation for unsymmetrically loading and irregular deep foundation pit

QIAN Yelin1,2， OU Qiang2， GAO Haiyun3，WANG Jie1，LV Weike1， WANG Yixian2

(1. Anhui Road & Bridge Group Co.,Ltd，Anhui Hefei 210029,China；2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009, China；3. Hefei key project construction administration，Anhui Hefei 230001，China)

This paper takes HeFei Metro Line1, Line2subway transfer station deep excavation engineering as the background, using FLAC3Dto establish the model, simulating the process of excavation, what’s more，the supporting systems of deep foundation pit are analyzed, considering the interaction between supporting structure and soil, calculating and analysing of the diaphragm wall internal forces and deformation, and by comparing the calculation results of various working conditions, the distribution law of the unsymmetrically loading and irregular diaphragm wall of internal force and deformation were obtained. The calculation and analysis results showed that the main stress of deep foundation pit supporting structure of irregular is bigger than the straight arm’s, and the stress concentration phenomenon is more obvious, the horizontal deformation is larger than the arm’s under the same conditions, the force and deformation for unsymmetrically loading and irregular is worst case in deep pit. The results of the study which is for future subway station deep foundation pit engineering design, construction provide the basis necessary reference.

irregular; deep foundation pit; diaphragm wall; internal force and deformation; FLAC3D

2016-02-21

國家自然科學基金資助項目(51304057)；合肥市重點工程建設局科技支撐項目(2013CGAZ0771)；安徽省住房城鄉(xiāng)建設廳科學技術計劃項目(2013YF-27)；武漢市城建委科技計劃項目(201620)

錢葉琳(1980-)，男，安徽青陽人，碩士，高級工程師，從事巖土及路基工程方面的研究。

1673-9469(2016)03-0013-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.003

TU47

A