某深基坑工程基底變形規(guī)律分析

李兆瑞, 王杰

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

某深基坑工程基底變形規(guī)律分析

李兆瑞, 王杰

(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)基坑開挖過程中基底變形進(jìn)行模擬。通過改變基坑開挖寬度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度, 討論了不同參數(shù)對(duì)基底隆起變形的影響。研究結(jié)果表明: 在一定范圍內(nèi), 基底隆起位移隨開挖寬度的減小, 逐漸從基坑兩邊向中間移動(dòng)并疊加; 當(dāng)樁體嵌入深度不滿足穩(wěn)定性要求時(shí), 圍護(hù)樁嵌入深度對(duì)基底隆起有較強(qiáng)的抑制作用, 當(dāng)樁體嵌入深度滿足基坑開挖的穩(wěn)定性要求時(shí), 這種作用可忽略不計(jì)。

深基坑; 有限元; 基底隆起; 塑性變形

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)等方面進(jìn)行了大量研究并取得了一些成果。徐彪等[1]對(duì)深基坑坑底隆起的問題進(jìn)行了探討, 介紹了基底回彈隆起的原因、計(jì)算和監(jiān)測等問題; 鄭剛等[2]對(duì)軟土地區(qū)深基坑坑底隆起變形問題進(jìn)行了研究; 樓曉明等[3]分析了深基坑地基的回彈應(yīng)力與回彈變形, 得到了回彈模量的變化規(guī)律; 王寧偉等[4]對(duì)深基坑土體水平位移與坑底隆起進(jìn)行了研究; 占學(xué)釗[5]對(duì)有關(guān)基坑抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算的內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)地梳理; 孔德森等[6]對(duì)各向異性軟土深基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

本文結(jié)合國內(nèi)外對(duì)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實(shí)例, 利用MIDAS/GTS軟件建立連續(xù)的二維有限元模型, 分析基坑開挖寬度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度對(duì)基底隆起的影響。

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江西路與玉蘭大道交叉口西側(cè), 長江西路高架橋南側(cè), 沿長江西路東西向布置。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@1000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8.82～11.98 m(凈距), 南側(cè)為安徽名人廣場, 廣場東北角(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), 場地環(huán)境較好。

1.2 地質(zhì)條件

本車站地形稍有起伏, 為二級(jí)階地貌, 地面高程41.9～44.5 m。相對(duì)高差0～3 m。車站沿長江西路布置, 有城市主干道路長江西路, 車流及人流量大。測區(qū)所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)江淮臺(tái)隆所屬的合肥斷陷盆地, 區(qū)域上位于華北地臺(tái)的南端, 燕山期活動(dòng)強(qiáng)烈, 形成平緩開闊的合肥斷陷盆地, 本區(qū)斷裂構(gòu)造主要有近東西向、北西向、北東向3組。車站范圍內(nèi)上覆第四系人工填筑黏土, 下伏基巖為白堊系上統(tǒng)張橋組(K2z)泥質(zhì)砂巖, 第四系覆蓋層總厚度一般為7.40～15.90 m, 巖層總體呈單斜狀, 地質(zhì)構(gòu)造簡單。具體各巖土層的主要物理及力學(xué)指標(biāo)見表1, 材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

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)算方法,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[7]。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)和支撐按梁單元進(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[8]。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 深基坑開挖模型

2.2 深基坑開挖施工工況

模型中模擬開挖的施工順序?yàn)? 工況1, 開挖第1層至設(shè)計(jì)標(biāo)高的-1.0 m處; 工況2, 澆筑混凝土冠梁, 同時(shí)在冠梁頂部安裝第1道混凝土支撐, 開挖第2層至設(shè)計(jì)標(biāo)高的-7.0 m處; 工況3, 在位于開挖面以上0.5 m處安裝第2道鋼支撐, 開挖第3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3道鋼支撐, 開挖第4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1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, 來模擬實(shí)際施工中的加撐與拆除的施工過程。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

基坑開挖過程中所產(chǎn)生的坑底隆起, 主要包括上層土體卸載導(dǎo)致下層土體應(yīng)力釋放發(fā)生的彈性回彈以及基坑周圍土體對(duì)坑底土體的壓力作用而產(chǎn)生的塑性變形[9]。前者指的是彈性隆起, 后者指的是塑性隆起[10]。本文所建模型的基底隆起變形如圖2所示。開挖第1層土體時(shí), 基底發(fā)生隆起現(xiàn)象, 此時(shí)開挖深度較小, 土體產(chǎn)生的彈性回彈力與隆起變形量小。開挖第2層土體時(shí), 基底隆起量持續(xù)增加, 增量明顯大于第1層, 這是由于開挖深度加大導(dǎo)致了坑底土體回彈力增加, 此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基底隆起的限制作用并不明顯。開挖第3層土體時(shí), 基底隆起持續(xù)增加, 但增加量明顯減小, 說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)開始對(duì)坑底隆起發(fā)揮限制作用, 抑制了一部分的坑底隆起量。開挖第4層土體至基坑底部時(shí),基底隆起增量有明顯增加的趨勢, 說明隨著開挖深度的增加, 坑底隆起出現(xiàn)了塑性隆起, 雖然圍護(hù)結(jié)構(gòu)此時(shí)對(duì)基底隆起的限制作用也在增強(qiáng), 但基坑兩側(cè)土體對(duì)坑底土體所產(chǎn)生塑性隆起量依然高于之前的彈性隆起量。

圖2 基底隆起變形

3 深基坑基底變形的影響參數(shù)

3.1 基坑開挖寬度

圖3 各工況下, 不同開挖寬度(W)的坑底隆起位移最大值

在地鐵1號(hào)線玉蘭大道站深基坑開挖的工程實(shí)例中, 基坑開挖寬度標(biāo)準(zhǔn)段為20.7 m, 建模中取了20.5 m。在討論基坑開挖寬度影響時(shí), 分別在此基礎(chǔ)上將開挖寬度減少2 m、增加2 m、增加4 m, 即開挖寬度分別取18.5、22.5和24.5 m。在基本假定和參數(shù)保持不變的情況下, 得到不同開挖寬度下基底隆起的位移如圖3所示。

由圖3(a)、(b)可知, 隨著開挖寬度的減小, 坑底最大隆起量呈現(xiàn)增大趨勢, 坑底中間與兩邊隆起量之差以及隆起的變化率均有增大趨勢。圖3(c)與圖3(a)、(b)相比, 坑底隆起量的最大值仍然變化不大, 中間部分的隆起量呈直線分布, 說明距坑底中心一定范圍內(nèi)的隆起量趨于穩(wěn)定?？拥茁∑饛膬蛇叺街虚g經(jīng)歷劇烈的增加后, 在基坑中間部位趨于穩(wěn)定。圖3(d)顯示坑底隆起的最大值較前面幾種情況有一定的減小, 隆起的最大值并沒有出現(xiàn)在基坑底部中心處, 而是出現(xiàn)在距離坑底中心一定距離處, 而坑底中心的隆起量有明顯地減小。

圖4為相同工況下對(duì)比不同開挖寬度坑底隆起變形規(guī)律。由圖4可知, 隨開挖寬度的減小, 坑底中心隆起呈增加趨勢, 但在一定寬度范圍內(nèi), 其隆起量又保持一定的穩(wěn)定性。總體呈現(xiàn)的是一種坑底隆起的最大值隨著開挖寬度的減小, 逐漸從兩邊向中間移動(dòng)并疊加的現(xiàn)象。說明坑底的隆起主要受基坑兩側(cè)土體的影響, 寬度的大小決定了兩側(cè)土體影響的疊加情況。因此對(duì)于狹窄型基坑, 由于兩側(cè)土體影響的疊加, 更應(yīng)該注意坑底隆起的防治。

圖4 不同開挖寬度(W)下的坑底隆起最大值

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度

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。在討論基坑圍護(hù)樁嵌入深度對(duì)深基坑開挖變形的影響時(shí), 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,即圍護(hù)樁嵌入深度分別取20.5、22.5和23.5 m。在基本假定和參數(shù)選取保持不變時(shí), 得到不同嵌入深度下基底隆起位移如圖5所示。

圖5 各工況下, 不同圍護(hù)樁嵌入深度(D)的基底隆起位移最大值

由圖5(a)、(b)可知, 隨著樁體嵌入深度的增加坑底隆起量有減小趨勢, 說明樁體嵌入深度的增加對(duì)坑底隆起有抑制作用。由圖5(c)可知, 坑底隆起最大值約為22 mm, 較前者有一定的減小, 與樁體嵌入深度為21.5 m相比, 減少量十分有限, 說明此時(shí)樁體的嵌入深度對(duì)基底隆起變形影響有限。圖5(d)顯示坑底隆起的最大值仍然約為22 mm, 且變化曲線與圖5(c)十分吻合, 此時(shí)可以認(rèn)為樁體嵌入深度的增加對(duì)坑底隆起基本沒有影響。

圖6為相同工況下不同圍護(hù)樁嵌入深度的基底隆起位移最大值。由圖6可知, 當(dāng)樁體嵌入深度由21.5 m減小為20.5 m時(shí), 坑底隆起量有著一定的增加, 但當(dāng)樁體嵌入深度由21.5 m增加到22.5和23.5 m時(shí), 坑底隆起量只有微小減少。說明樁體嵌入深度對(duì)坑底隆起有著一定的抑制的作用, 但是當(dāng)其滿足基坑開挖的穩(wěn)定性要求時(shí), 這種作用可以忽略不計(jì)。

圖6 不同樁體嵌入深度(D)的基底隆起最大值

4 結(jié)論

本文以合肥地鐵1號(hào)線玉蘭大道站基坑工程為依托, 通過建模研究基坑開挖寬度、圍護(hù)樁嵌入深度等參數(shù)對(duì)基坑開挖變形的影響, 得到以下結(jié)論。

(1) 深基坑坑底中心隆起量隨著開挖寬度的減小不斷增加, 但在一定寬度范圍內(nèi), 隆起量又保持一定的穩(wěn)定性, 總體呈現(xiàn)出一種坑底隆起最大值隨著開挖寬度的減小, 逐漸從兩邊向中間移動(dòng)并疊加的現(xiàn)象。

(2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度影響深基坑基底隆起量, 當(dāng)圍護(hù)樁嵌入深度不滿足穩(wěn)定性要求時(shí), 樁體嵌入深度對(duì)坑底隆起有較強(qiáng)的抑制作用。但是, 當(dāng)樁體嵌入深度滿足基坑開挖的穩(wěn)定性要求時(shí), 這種作用可以忽略不計(jì)。如果此時(shí)基坑變形仍過大, 應(yīng)從其他方面找出原因, 如果仍然盲目地增加樁體嵌入深度,不僅不能有效地控制基坑開挖變形, 還會(huì)造成資源浪費(fèi), 增加成本。

[1] 徐彪, 劉佳. 對(duì)深基坑坑底隆起問題的探討[J]. 廣西工學(xué)院學(xué)報(bào), 2004, 15(1): 66–68.

[2] 鄭剛, 焦瑩, 李竹. 軟土地區(qū)深基坑工程存在的變形與穩(wěn)定問題及其控制[J]. 施工技術(shù), 2011, 40(339): 10–15.

[3] 樓曉明, 李德寧, 劉建航. 深基坑坑底地基的回彈應(yīng)力與回彈變形[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2012, 45(4): 134–138.

[4] 王寧偉, 韓旭, 王心哲. 深基坑土體水平位移與坑底隆起的研究[J]. 土工基礎(chǔ), 2014, 27(6): 9–12.

[5] 占學(xué)釗. 深基坑坑底土體抗隆起穩(wěn)定性的驗(yàn)算方法辨析[J]. 地下工程與隧道, 2011, 12(3): 1–4.

[6] 孔德森, 門燕青, 王麗華, 等. 各向異性軟土深基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 43(11): 4 472–4 476.

[7] 龔曉南. 關(guān)于基坑工程的幾點(diǎn)思考[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38(9): 99–102.

[8] 曹力橋, 鄭剛. 坑內(nèi)降水對(duì)軟土地區(qū)深基坑坑底隆起影響有限元分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(10): 332–337.

[9] 杜濤. 地鐵窄長深基坑的變形規(guī)律及穩(wěn)定性分析[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2012.

[10] 王陽. 武漢地區(qū)軟土地基深基坑分步開挖下的變形和控制研究[D]. 武漢: 武漢科技大學(xué), 2013.

(責(zé)任編校: 江河)

The analyses about deformation law of some deep foundation pit engineering

Li Zhaorui, Wang Jie
(Civil Engineering School, Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China)

Taking the foundation pit engineering in Yulan Avenue of Hefei metro line 1 as the research object, using the MIDAS/GTS software to build a continuous two-dimensional finite element model, the deformation digging of foundation pit is simulated. By changing the width and depth of exterior protected construction of foundation pit, the effect of different parameters on the uplift deformation of basement is discussed. Research results show that in a certain range, the uplift displacement of basement would gradually move and overlap from both sides to the middle with the decreasing of excavation width; when it does not meet stability requirements, the insert depth of exterior protected construction has a strong inhibitory effect on the uplift deformation of basement, when it meets the stability requirements, this effect is negligible.

deep foundation pit; finite element; basement uplift; plastic deformation

TU 473

: A

1672–6146(2017)03–0074–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.016

李兆瑞, 1527678223@qq.com。

: 2016–12–21