某深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

李兆瑞，汪東林

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

某深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

李兆瑞，汪東林

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

以合肥地鐵一號(hào)線玉蘭大道站基坑工程為研究對(duì)象，利用MIDAS/GTS軟件建立連續(xù)的二維有限元模型，對(duì)基坑開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行模擬。通過(guò)改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度及剛度，討論不同參數(shù)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。結(jié)果表明：當(dāng)不滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，深層水平位移隨著樁體嵌入深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增加而顯著減小；當(dāng)結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定時(shí)，增大樁體嵌入深度以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度并不能有效減少深層水平位移。

深基坑；有限元；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；水平位移

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口劇增，城市用地變得越來(lái)越緊張，地下空間正逐步成為可利用的重要資源。城市周圍密集的建筑物及地下復(fù)雜繁多的管道線給深基坑開挖帶來(lái)了一系列的技術(shù)難題，其開挖過(guò)程中所產(chǎn)生的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形也會(huì)危害周邊建筑物的安全，研究深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律已成為工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前，很多學(xué)者在基坑變形的變化規(guī)律、影響因素以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面展開研究并取得了一定成果。劉國(guó)彬[1]對(duì)深基坑施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的時(shí)間特性進(jìn)行了研究，徐偉[2]對(duì)深基坑施工方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，徐中華等[3]研究了軟土地區(qū)采用灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑變形，房師軍[4]詳細(xì)分析了基坑施工各階段的圍護(hù)樁體變形規(guī)律，胡斌等[5]對(duì)深基坑分步開挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形規(guī)律進(jìn)行了研究，劉永健等[6]對(duì)軟土地區(qū)的深基坑施工所引起的變形及對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算理論的研究，以合肥地鐵一號(hào)線玉蘭大道站基坑工程為例，利用MIDAS/GTS軟件建立了連續(xù)的二維有限元模型，分析了圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)深基坑水平位移的影響[7]。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

地鐵換乘玉蘭大道站位于長(zhǎng)江西路與玉蘭大道交叉口西側(cè)，長(zhǎng)江西路高架橋南側(cè)，沿長(zhǎng)江西路東西向布置，主體標(biāo)準(zhǔn)段為地下兩層單柱雙跨12.0 m島式站臺(tái)車站，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。車站兩端區(qū)間為盾構(gòu)法施工，車站東端設(shè)盾構(gòu)始發(fā)接收井，西端設(shè)盾構(gòu)調(diào)頭井。車站采用明挖順作法施工，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.7 m，車站覆土厚度為2.57～3.00 m，底板埋深15.94～16.36 m；東西端均設(shè)端頭井，端頭井寬度為24.9 m，小里程(西端)端頭井最小覆土厚度2.64 m，底板埋深16.87～17.40 m；大里程(東端)端頭井最小覆土厚度2.45 m，底板埋深16.68～17.67 m。車站主體部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ800@1 000鉆孔灌注樁結(jié)合鋼支撐的形式，其中圍護(hù)樁的嵌入深度為 21.5 m，樁頂設(shè)置的混凝土冠梁的尺寸為b×h=1.0 m×0.8 m，樁間土采用C10 的混凝土掛網(wǎng)噴射，鋼支撐采用直徑為609 mm，壁厚為14 mm的鋼管。

車站北側(cè)毗鄰長(zhǎng)江西路高架橋，主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離高架橋樁基8.82～11.9 m(凈距)，南側(cè)為安徽名人廣場(chǎng)，廣場(chǎng)東北角(車站東南角)有一座千秋江淮柱雕塑，主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離雕塑基礎(chǔ)最小25.3 m(凈距)，場(chǎng)地環(huán)境較好。

1.2 地質(zhì)條件

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

2 數(shù)值模擬

2.1 建立有限元模型

根據(jù)工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及以往的有限元分析計(jì)算，本文取基坑開挖寬度的6倍、開挖深度的4倍作為深基坑開挖的影響范圍。實(shí)際基坑開挖寬度為20.5 m，開挖深度為16.5 m，本文取模型寬度120 m，深度64 m。模型中土體按平面應(yīng)變單元進(jìn)行分析，采用Mohr-coulomb模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐按梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析，采用彈性模型。邊界條件設(shè)置為底部完全約束，頂部自由，左右邊界水平約束。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

2.2 深基坑開挖施工工況

模型中模擬開挖的施工順序?yàn)椋?/p>

工況1，開挖第一層至設(shè)計(jì)標(biāo)高的-1.0m處；

工況2，澆筑混凝土冠梁，同時(shí)在冠梁頂部安裝第一道混凝土支撐，開挖第二層至設(shè)計(jì)標(biāo)高的-7.0 m處；

因此，高等教育供給側(cè)改革在技術(shù)向度上要充分地因應(yīng)這種數(shù)字化教學(xué)的趨勢(shì)。例如在微觀教學(xué)過(guò)程中，要依靠新媒體教學(xué)實(shí)現(xiàn)“交互主體性”教學(xué)模式的實(shí)現(xiàn)，摒棄灌輸式教育的思維；在教育資源“合作治理”方面，可以通過(guò)建立協(xié)同創(chuàng)新中心實(shí)現(xiàn)教育資源的在線共享；在培育個(gè)性化學(xué)生、滿足教育需求的個(gè)性化問(wèn)題方面，高校要加大投入和制度引導(dǎo)力度，通過(guò)各種差異化的“教育云桌面”或“教育APP”、微信公眾號(hào)等數(shù)字化載體實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生個(gè)性化教育需求的及時(shí)回應(yīng)。

工況3，在位于開挖面以上0.5 m處安裝第二道鋼支撐，開挖第三層至設(shè)計(jì)標(biāo)高的-12.0 m處；

工況4，在位于開挖面以上0.5 m處安裝第三道鋼支撐，開挖第四層至設(shè)計(jì)標(biāo)高的-16.5 m處，此時(shí)為基坑開挖的最后一層。

本文模型中的不同開挖步驟是利用MIDAS/GTS軟件中的“激活”與“鈍化”功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先建立好模型中所需的單元，然后利用“激活”與“鈍化”功能把各個(gè)單元分布到各個(gè)開挖階段之中，模擬實(shí)際施工中的加撐與拆除的施工過(guò)程。

圖1 深基坑開挖模型 圖2 深層水平位移示意圖

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基坑開挖第一層至設(shè)計(jì)標(biāo)高的-1.0 m時(shí)，由于開挖卸土作用，基坑開始發(fā)生深層水平位移，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外應(yīng)力平衡被打破，其內(nèi)側(cè)逐漸產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，外側(cè)逐漸產(chǎn)生主動(dòng)土壓力。

澆筑混凝土冠梁并安裝第一道混凝土支撐后，開挖第二層至設(shè)計(jì)標(biāo)高-7.0 m，其深層水平位移持續(xù)增加。一方面是由于隨著開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的主動(dòng)、被動(dòng)土壓力的差值不斷增大，導(dǎo)致整體深層水平位移不斷增加；另一方面，第一道混凝土支撐開始發(fā)揮作用，限制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)傾斜或向基坑外側(cè)發(fā)生一定位移，但是向基坑外側(cè)的側(cè)移量一般很小，屬于彈性回彈。

安裝好第二道支撐后開挖第三層至設(shè)計(jì)標(biāo)高-12.0 m，此時(shí)深層水平位移仍然持續(xù)增加。如圖2所示，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移最大值處于第二層支撐稍微向下的位置，整個(gè)深層水平位移曲線呈現(xiàn)的是“兩端小，中間大”的特征。這是因?yàn)殡S著開挖深度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)的被動(dòng)土壓力和外側(cè)的主動(dòng)土壓力之差持續(xù)增加，深層水平位移變形量也逐漸增加。另外，因?yàn)殡S著基坑開挖的增加，基坑底部土體越來(lái)越硬，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的限制作用也逐漸增強(qiáng)，在一定程度上限制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生側(cè)移，所以此時(shí)深層水平位移最大值處于第二層支撐稍微向下的位置，而不是出現(xiàn)在開挖面附近。

安裝好第三道支撐，開挖最后一層至設(shè)計(jì)標(biāo)高-16.5 m，可以看出深層水平位移依然持續(xù)增加，但是增加的幅度有限?？梢?jiàn)，深層水平位移隨著開挖深度的增加不斷增大，增大的速率隨著支撐作用的發(fā)揮而不斷減小，但圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在開挖面附近會(huì)出現(xiàn)最大水平位移，然后穩(wěn)定在某一區(qū)域，若想有效地減小支撐附近的水平位移就必須考慮合理的架設(shè)支撐。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)深基坑開挖影響研究

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度的影響

在地鐵1號(hào)線玉蘭大道站深基坑開挖的工程實(shí)例中，基坑圍護(hù)樁嵌入深度為21.5 m。為討論基坑圍護(hù)樁嵌入深度對(duì)深基坑開挖變形的影響，分別在此基礎(chǔ)上將嵌入深度減少1 m、增加1 m、增加2 m，分別取20.5 m、22.5 m、23.5 m，基本假定和參數(shù)選取保持不變，得出不同嵌入深度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形[8]。見(jiàn)圖3。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大值

對(duì)比圖3(a)、圖3(b)可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移有一定的增加趨勢(shì)，且這一趨勢(shì)在基坑的上半部分表現(xiàn)得更為明顯，深層水平位移隨開挖的變化規(guī)律仍符合基本規(guī)律。觀察圖3(c)可知深層水平位移的最大值約為2.6 mm，整體出現(xiàn)減少的趨勢(shì)，但是其趨勢(shì)并不十分明顯。由圖3(d)可知深層水平位移的最大值仍為2.6 mm，較前者基本無(wú)變化，呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明樁體嵌入深度的增加對(duì)深層水平位移所起的作用越來(lái)越小。

圖4 不同樁體嵌入深度深層水平位移最大值

觀察圖4在樁體嵌入深度由20.5 m增加到23.5 m的過(guò)程中，深層水平位移的變化并不是十分明顯，尤其是之后增加的2 m，對(duì)深層水平位移的影響可以忽略不計(jì)。這個(gè)情況說(shuō)明當(dāng)不滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，深層水平位移隨著樁體嵌入深度的增加顯著減小，當(dāng)樁體嵌入深度滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，再增加樁體嵌入深度對(duì)深層水平位移的影響微乎其微，并不能有效地控制深層水平位移[9]。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的影響

在地鐵1號(hào)線玉蘭大道站深基坑開挖的工程實(shí)例中，基坑圍護(hù)樁的直徑為0.8 m。討論基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)深基坑開挖變形的影響，可以從增加和減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的斷面面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文在基坑圍護(hù)樁直徑為0.8 m的基礎(chǔ)上，分別取此直徑的0.5倍、1.5倍，即分別取直徑為0.4 m、1.2 m、1.6 m，基本假定和參數(shù)選取保持不變，得出不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形[10]。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大值

與圍護(hù)樁直徑為0.8m的初始狀態(tài)相比較，圖5(a)中深層水平位移最大值約為7 mm，相較于初始狀態(tài)的3 mm有較大的增幅，變形規(guī)律依然與基本規(guī)律相吻合,說(shuō)明此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的變形，對(duì)基坑開挖的穩(wěn)定性要求有著不利影響。圖5(c)顯示深層水平位移的最大位移量約為1.8 mm，與圖5(a)比較有一定的減少，此時(shí)變形的曲線幅度更小，沒(méi)有突變的現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)的深層水平位移變形更穩(wěn)定。圖5(d)中樁體直徑為1.6 m時(shí)深層水平位移的最大值約為1.4 mm，與圖5(a)相比仍然有持續(xù)減小的趨勢(shì)，但是減小的幅度有限，相比于圖5(c)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。

圖6 不同樁徑深層水平位移最大值

圖6直觀地反映了深層水平位移隨著樁徑不斷增大所發(fā)生的變化。在樁徑由0.4 m增大到0.8 m時(shí)，深層水平位移有明顯減小的趨勢(shì)，其變化曲線更趨于穩(wěn)定，變化的幅度更??；當(dāng)樁徑由0.8 m增大到1.2 m甚至1.6 m時(shí)，深層水平位移有減小的趨勢(shì)，但其減小的幅度變小，最后趨于穩(wěn)定[11-12]。由圖6可知深層水平位移隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增大而減小，最后趨于穩(wěn)定，此時(shí)再增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)減少深層水平位移影響很小。

4 結(jié)論

本文以合肥地鐵1號(hào)線玉蘭大道站基坑工程的數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)變換基坑圍護(hù)樁嵌入深度、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度等參數(shù)分別建立模型并計(jì)算，分析各因素對(duì)基坑開挖變形的影響，詳細(xì)剖析不同因素對(duì)基坑變形影響的程度，得出了以下結(jié)論：

(1)當(dāng)不滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，深層水平位移隨樁體嵌入深度的增加顯著減小，當(dāng)樁體嵌入深度滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，再增加樁體嵌入深度對(duì)深層水平位移的影響微乎其微，并不能有效地控制深層水平位移。

(2)深層水平位移隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增大而減小，當(dāng)趨于穩(wěn)定時(shí)再增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度并不能有效地減少深層水平位移。

(3)樁體嵌入深度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基坑開挖變形均有一定影響，當(dāng)樁體嵌入深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到控制變形的要求時(shí)，如果此時(shí)基坑變形仍過(guò)大，應(yīng)從別的方面找出原因，如果仍然盲目的增加樁體嵌入深度以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，不僅不能有效的控制基坑開挖變形，還會(huì)造成資源浪費(fèi)、成本增加。

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Retaining structure deformation analysis of certain deep foundation pit engineering

LI Zhao-rui, WANG Dong-lin

(SchoolofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

Taking the foundation pit engineering in Yulan Avenue of No.1 Hefei Metro Line as the research object, using the MIDAS/GTS software to build a continuous two-dimensional finite element model, and the deformation of retaining structure during excavation is simulated. By changing the embedment depth and stiffness of the retaining structure, the influence of different parameters on the deformation of the retaining structure is discussed. The results showed that When the stability requirements are not satisfied, the deep horizontal displacement decreases significantly with the increase of the pile embedment depth and the envelope stiffness. When the structure tends to be stable, re-increasing the embedment depth of the pile and the stiffness of the retaining structure cannot effectively reduce the deep horizontal displacement.

deep foundation pit; finite element; retaining structure; horizontal displacement

2016-10-24

安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014tszy023)；安徽建筑大學(xué)校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2015tz01)

李兆瑞(1993—)，女，河南洛陽(yáng)人，碩士研究生。

1674-7046(2017)01-0047-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.01.009

TU473

A