某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性數(shù)值模擬研究*

羅光財(cái)，張 波，蔣 磊，王 偵

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410072)

某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性數(shù)值模擬研究*

羅光財(cái)1，張 波1，蔣 磊1，王 偵2

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410072)

以長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線為背景，針對(duì)火車站站深基坑開(kāi)挖對(duì)圍護(hù)樁水平位移及支撐軸力產(chǎn)生的作用，采用FLAC3D軟件對(duì)分步開(kāi)挖進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了分層開(kāi)挖下圍護(hù)樁的側(cè)移變形和復(fù)雜支撐結(jié)構(gòu)軸力變化規(guī)律，并探討了支撐安裝對(duì)圍護(hù)樁側(cè)移的影響。研究表明：隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移呈現(xiàn)兩頭小，中間大，呈“弓”型；在第二道支撐架設(shè)完成后，樁頂?shù)乃轿灰期呌诜€(wěn)定，不再隨開(kāi)挖深度而變化；支撐在安裝后軸力值有不斷增大的趨勢(shì)，而隨著下一層支撐的施加，軸力逐漸穩(wěn)定，并趨向平衡或有小幅度減少。

深基坑；支護(hù)結(jié)構(gòu)；變形特性；數(shù)值模擬

0 引 言

地鐵是解決城市交通擁堵問(wèn)題和人們舒適出行的重要交通方式[1￣4]，北京、廣州、上海、深圳等大城市的地鐵已經(jīng)運(yùn)行多年。隨著我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，除北上廣深等大城市外，其他城市的地鐵建設(shè)也已大規(guī)模開(kāi)展，長(zhǎng)沙就在其列。目前長(zhǎng)沙已開(kāi)通1號(hào)、2號(hào)兩條地鐵線路，運(yùn)營(yíng)狀況良好。地鐵車站的修建產(chǎn)生了大量深基坑工程。地鐵深基坑工程場(chǎng)地環(huán)境條件復(fù)雜，影響深基坑穩(wěn)定性的因素眾多，研究分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)是判斷基坑是否安全的重要手段?；诨庸こ痰牡赜蛐院蛷?fù)雜性，本文以長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線火車站站深基坑為背景，對(duì)深基坑分層開(kāi)挖進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，分析了圍護(hù)樁水平位移及支撐軸力變化狀況，得到了一些有意義的結(jié)論，可為以后長(zhǎng)沙地區(qū)基坑設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

長(zhǎng)沙火車站地處中心城區(qū)的繁華地帶，東臨火車站，西側(cè)為住宅、商場(chǎng)等，目前站位處車流量大，人流量極大。車站設(shè)計(jì)范圍為車站設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程YCK23+440.920至設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程YCK23+628.520，包括車站主體和出入口通道、風(fēng)亭等設(shè)計(jì)。本車站為地下三層雙柱島式站臺(tái)車站，車站外包總長(zhǎng)187.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬23.7 m。車站埋深23.61 m，頂板覆土3.3 m?；泳S護(hù)結(jié)構(gòu)采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐：其中第一道支撐均為鋼筋混凝土支撐；已建2號(hào)線車站兩側(cè)第二、三、四道支撐；北側(cè)盾構(gòu)井及已建2號(hào)線北側(cè)主體第二、三、四道支撐采用鋼支撐，水平間距為3 m。南側(cè)盾構(gòu)井第一、三道為鋼筋混凝土支撐，第二、四道為鋼支撐。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，基坑土層從上到下依次為：雜填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

2 計(jì)算模型的建立

整個(gè)基坑被2號(hào)線車站截?cái)?，分為南北兩處基坑。為?jiǎn)化計(jì)算，選取車站南側(cè)基坑為建模對(duì)象，基坑分為盾構(gòu)井和一部分標(biāo)準(zhǔn)段，南側(cè)基坑平面圖形為一個(gè)不規(guī)則的多邊形，平均長(zhǎng)度為24 m ，平均寬度為28 m，開(kāi)挖深度為24 m。根據(jù)圣維南原理和參考已有的研究成果，影響范圍為3～5 倍開(kāi)挖深度，整個(gè)模型的尺寸為 270 m×105 m×96 m。模型上表面為自由面，底面為固定約束，其余各表面添加法向約束。模型見(jiàn)圖1。

開(kāi)挖部分采用null模型。土體采用實(shí)體單元模擬，土體共分6層，本構(gòu)模型采用理想彈塑性Mohr-Coulomb 模型，各計(jì)算參數(shù)由地質(zhì)詳勘報(bào)告及相關(guān)土工室內(nèi)試驗(yàn)得到，見(jiàn)表1。鋼筋混凝土支撐和鋼支撐采用梁?jiǎn)卧M，本構(gòu)模型采用線彈性材料，模擬中不考慮梁?jiǎn)卧灾?，在設(shè)置鋼支撐的同時(shí)對(duì)鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力，支撐參數(shù)見(jiàn)表2。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為灌注樁，根據(jù)剛性等效原則簡(jiǎn)化元，密度取為2200 kg/m3，彈性模量E取為 1.6 GPa，泊松比取為0.2。模型中不同結(jié)構(gòu)類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)(包括內(nèi)支撐和鉆孔灌注樁)之間的連接通過(guò)共用節(jié)點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)，限制6個(gè)方向的自由度，即認(rèn)為不同類型的結(jié)構(gòu)單元之間采用剛結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度上力的傳遞[6]。

圖1 整體模型

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

土層厚度/m重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)體積模量/MPa剪切模量/MPa填土5．217．510184．761．47粉質(zhì)粘土3．418．630154．441．81圓礫3．419．5032175．3粉質(zhì)粘土6．42030154．441．81強(qiáng)分化泥質(zhì)砂巖722．535253022．5中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖6825．53002815868．7

表2 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)基坑開(kāi)挖及支護(hù)的實(shí)際施工過(guò)程，采用分析步的方法進(jìn)行分步開(kāi)挖卸載、分步支護(hù)。第一步：施工灌注樁，并進(jìn)行地應(yīng)力平衡；第二步：安裝第一層支撐結(jié)構(gòu)至-1 m處，開(kāi)挖土方3 m;第三步:開(kāi)挖土方2 m；第四步：開(kāi)挖土方2 m，并安裝第二層支撐結(jié)構(gòu)至-7 m處，及時(shí)對(duì)鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力；第五步：開(kāi)挖土方3 m；第六步：開(kāi)挖土方2 m；第七步：開(kāi)挖土方2 m,并安裝第三層支撐結(jié)構(gòu)至-14 m處；第八步：開(kāi)挖土方3 m；第九步：開(kāi)挖土方2 m；第十步：開(kāi)挖土方2 m,并安裝第二層支撐結(jié)構(gòu)至-21 m處，及時(shí)對(duì)鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力；第十一步：開(kāi)挖土方至基坑底部?；诱麄€(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)

本文研究的對(duì)象為圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及支撐軸力變化，根據(jù)模擬基坑的幾何形狀，選取了代表性的盾構(gòu)井長(zhǎng)邊中點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)段1處作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)對(duì)象，選取了標(biāo)準(zhǔn)段1處共4根鋼筋混凝土支撐和盾構(gòu)井處1處共2根鋼支撐進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的分布情況見(jiàn)圖3。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)位置

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析

基坑監(jiān)測(cè)兩處圍護(hù)樁水平位移沿墻身分布的曲線見(jiàn)圖4～圖5，基坑監(jiān)測(cè)兩處圍護(hù)樁水平位移見(jiàn)圖6～圖7。從圖4～圖5中可以看出，基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移呈現(xiàn)兩頭小，中間大，其原因?yàn)榛娱_(kāi)挖導(dǎo)致坑外土體對(duì)圍護(hù)樁形成主動(dòng)土壓力，導(dǎo)致圍護(hù)樁向基坑內(nèi)移動(dòng)。在剛開(kāi)挖階段，水平位移變化很小，幾乎為零；隨著開(kāi)挖深度的加大，水平位移逐漸增多，樁體變形為“弓”型，最大位移點(diǎn)有下降的趨勢(shì)。當(dāng)基坑開(kāi)挖最終完成時(shí)，樁體最大變形位移點(diǎn)出現(xiàn)，變形趨于穩(wěn)定。

圖4 盾構(gòu)井長(zhǎng)邊中點(diǎn)截面圍護(hù)結(jié)構(gòu)

圖5 標(biāo)準(zhǔn)段截面圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移沿墻身分布曲線圖

圖6 盾構(gòu)井圍護(hù)樁最終水平位移云圖

圖7 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁最終水平位移云圖

從圖4可以看出，首道支撐架設(shè)對(duì)盾構(gòu)井中點(diǎn)圍護(hù)樁樁頂?shù)膫?cè)移約束有相當(dāng)大的作用，第二道支撐架設(shè)前，樁頂?shù)奈灰茷?.3 mm,支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移約為10.2 mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約為10 m處，同時(shí)，圍護(hù)樁水平位移變化的幅度較大，最大值從5.9 mm變到了10.2 mm，其原因?yàn)榈诙又谓Y(jié)構(gòu)未及時(shí)架設(shè)，圍護(hù)樁承受主動(dòng)土壓力負(fù)荷增大，導(dǎo)致水平位移變化較大。在第三道支撐假設(shè)前，樁頂位移變?yōu)?.9 mm,支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移約為13.6 mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約為11 m處。在第四道支撐架設(shè)前，樁頂位移為1.8 mm,支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移約為17.3 mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約為13 m處。開(kāi)挖至基坑底部時(shí)，樁頂位移為1.7 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移達(dá)到18.3 mm，發(fā)生部位位于樁體埋深約為14 m處。

從圖5可以看出，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)段樁頂水平位移，由于基坑開(kāi)挖后，第一層用鋼筋混凝土支撐，導(dǎo)致土體向坑外移動(dòng)。對(duì)比盾構(gòu)井中點(diǎn)的水平位移，標(biāo)準(zhǔn)段每次支護(hù)引起圍護(hù)樁最大水平位移點(diǎn)位置與盾構(gòu)井中點(diǎn)處一致，基坑開(kāi)挖完成時(shí)，最大水平位移都發(fā)生于樁體埋深約14 m處，但由于空間效應(yīng)，盾構(gòu)井長(zhǎng)邊長(zhǎng)于標(biāo)準(zhǔn)段邊，相對(duì)的支護(hù)約束作用弱，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)段每次支護(hù)引起圍護(hù)樁最大水平位移值比盾構(gòu)井處都小，基坑開(kāi)挖完成時(shí)，最大水平位移值為16.1 mm。

結(jié)合盾構(gòu)井中點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)段支撐結(jié)構(gòu)架設(shè)對(duì)圍護(hù)樁的影響得出規(guī)律：

(1) 在第二道支撐架設(shè)后，樁頂?shù)乃轿灰埔掩呌诜€(wěn)定；

(2) 當(dāng)土方開(kāi)挖至基坑底部及基坑開(kāi)挖完成時(shí)，圍護(hù)樁水平位移最大值點(diǎn)才出現(xiàn)，大約位于埋深0.58H處(H為基坑開(kāi)挖深度)。

3.2 支撐結(jié)構(gòu)軸力分析

由圖8可知，在第一層混凝土支撐以后，其軸力值不斷地增大，第三次開(kāi)挖結(jié)束后，其軸力值達(dá)到最大值995.3 kN,隨著坑內(nèi)土體繼續(xù)開(kāi)挖，第二層支撐后，軸力值慢穩(wěn)定下來(lái)，最后趨于平衡。同樣，在第三層支撐沒(méi)安裝前，第二層混凝土監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，直達(dá)最大值點(diǎn)，隨著下一道支撐的安裝，軸力值趨于穩(wěn)定。第三層鋼筋混凝土監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力變化趨勢(shì)亦同于前兩層。隨著基坑的開(kāi)挖，最大軸力值2983.5 kN出現(xiàn)在基坑完成時(shí)第三層混凝土支撐布設(shè)點(diǎn)中。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)段混凝土支撐布設(shè)點(diǎn)開(kāi)挖軸力

由圖9可知，第四次開(kāi)挖后，第二層布點(diǎn)鋼支撐的軸力值為314 kN,較第二層混凝土支撐軸力值小許多，其原因是安裝鋼支撐的同時(shí)對(duì)鋼支撐添加相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力。跟混凝土支撐軸力變化情況一樣，第二道鋼支軸力值在下一道支撐架設(shè)后出現(xiàn)緩和并逐漸穩(wěn)定現(xiàn)象。第二、四道鋼支撐布點(diǎn)軸力隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，與混凝土布點(diǎn)軸力總體變化情況一致。

綜上所述可得：

圖9 鋼支撐開(kāi)挖軸力圖

(1) 隨著基坑開(kāi)挖深度的加深，支撐的軸力逐漸變大，其中第二、三、四道支撐的軸力明顯較大，這與圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移量的變化趨勢(shì)基本吻合，均呈現(xiàn)出兩頭小，中間大的趨勢(shì)。

(2) 支撐軸力在施加后軸力值有不斷增大的趨勢(shì)，而隨著下一層支撐的施加，軸力又慢慢穩(wěn)定下來(lái)，最后趨向平衡或有小幅度減少。

4 結(jié) 論

基于FLAC3D有限差分軟件，建立模擬基坑施工過(guò)程的三維計(jì)算模型，分析了復(fù)雜支撐結(jié)構(gòu)下地鐵車站深基坑開(kāi)挖的工程實(shí)例，并進(jìn)行了相關(guān)的變形和受力特性研究。主要結(jié)論如下:

(1) 在第二道支撐架設(shè)完成后，樁頂?shù)乃轿灰期呌诜€(wěn)定，不再隨開(kāi)挖深度而變化。

(2) 隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)中間部分受到土體測(cè)壓力較大(最大水平位移點(diǎn)也出現(xiàn)在第二、三道支撐之間)，易使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，造成危害。建議在施工工程中，增強(qiáng)第二、三道支撐的剛度或加大支撐數(shù)量。

(3) 由于影響基坑穩(wěn)定性的因素眾多，如地下水位上升、施工擾動(dòng)等，建議在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作，及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)修正施工方案，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，要及時(shí)提出解決方案，保證施工的正常進(jìn)行和結(jié)構(gòu)的安全性。

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2017￣01￣14)