地鐵車站深基坑變形特性和突涌判定數(shù)值分析

何亮，劉正明，羅元喜

(1.常州工學院，江蘇 常州 213032； 2.江蘇省地礦局第二地質大隊，江蘇 常州 213022)

0 引言

隨著基坑開挖深度的增加，下部承壓水會逐漸對基坑的穩(wěn)定性產生影響，如處理不當，極易誘發(fā)基坑工程事故[1]。常州正在大規(guī)模開展城市軌道交通建設，出現(xiàn)了許多較深的基坑工程，承壓水對基坑穩(wěn)定影響的問題更為凸顯，為此開展承壓水基坑突涌穩(wěn)定性的研究工作勢在必行。

基坑抗突涌判定通常采用建筑基坑規(guī)范中的“壓力平衡法”，但該方法只考慮承壓水層和坑底之間隔水層重力抵抗承壓水頂托力的作用，計算較為保守，應用于實際工程常常并未發(fā)現(xiàn)突涌[2]。因此，一些學者研究了考慮土體強度的基坑突涌判別方法，如均質連續(xù)梁板法和均質連續(xù)體法[3-5]。要想詳細分析承壓水對基坑突涌穩(wěn)定性的影響以及基坑變形特性，采取有限元數(shù)值分析的方法更為有效，有限元數(shù)值模擬方法的關鍵是選擇合理的土體本構模型和參數(shù)。小應變硬化土模型(以下簡稱HSS模型)是一種用于數(shù)值分析的高級土體本構模型，可以模擬包括軟土和硬土在內的基坑變形特性，以及判定基坑突涌[6-12]。

本文基于室內三軸等試驗獲得的土體HSS模型參數(shù)，采用Plaxis軟件開展了地鐵車站深基坑開挖的有限元數(shù)值模擬，探討深基坑開挖影響下圍護結構和周圍土體的變形特性，以及突涌判定方法。

1 工程概況

常州地鐵二號線青楓公園站標準段基坑的開挖深度為17 m，寬度為22 m。地下連續(xù)墻深入地層29 m，墻厚0.8 m?？觾仍O置3道內支撐。第一道為鋼筋混凝土支撐，支撐間距9 m，截面積為800 mm×800 mm。其他2道為鋼支撐，支撐間距為3 m，第一道鋼支撐直徑800 mm，第二道鋼支撐直徑609 mm。

本工程基坑開挖深度影響范圍內自上而下土層分布如下：①填土、③2黏土、⑤1黏質粉土夾粉砂、⑤2粉砂、⑤3粉砂夾黏質粉土、⑥2粉質黏土、⑧1黏質粉土夾粉質黏土層、⑨2黏土、⑨3黏土。第一層承壓水位于⑤1、⑤2和⑤3層中，第二層承壓水位于⑧1層。地連墻底部位于⑧1層中，它截斷了坑內外第一層承壓水的水力聯(lián)系，因此基坑施工只需考慮潛水和第二層承壓水的影響。潛水埋深位于地下2 m，第二層承壓水埋深位于地下4 m。

2 基坑實際開挖工況的數(shù)值模擬

2.1 計算模型

根據(jù)三軸固結排水剪切、三軸固結排水卸載-再加載、標準固結和共振柱試驗結果，將類型相同、基本參數(shù)相似的土層合并，獲得各土層的莫爾庫倫和HSS模型參數(shù)見表1。模型表達式、參數(shù)的意義見參考文獻[8—9]。

表1 HSS模型參數(shù)

根據(jù)基坑開挖實際工況，建立平面應變數(shù)值計算模型。

第一步：地下連續(xù)墻施工；

第二步：在-1.0 m處布置第一道混凝土支撐，并開挖第一層土至-7.5 m；

第三步：在-7.5 m處布置第二道鋼支撐，并開挖第二層土至-13.0 m，降水將承壓水頭降至埋深17 m位置；

第四步：在-13.0 m處布置第三道鋼支撐，并開挖第三層土至坑底處；

模型中地下連續(xù)墻采用板單元模擬，軸向剛度為EA=2.6×107kN/m，抗彎剛度EI=1.4×106kN/m2。內支撐采用點對點錨桿模擬，第一道鋼筋混凝土支撐軸向剛度EA=2×107kN/m，第二道鋼支撐軸向剛度EA=8×106kN/m，第三道鋼支撐軸向剛度EA=2×106kN/m，第二道和第三道鋼支撐施加的預應力分別為1 350 kN和2 350 kN。承壓水貯藏在⑥粉土中，土層層頂埋深26.5 m，降水前承壓水頭埋深為4 m，施工降水后承壓水頭埋深為17 m，模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格圖

2.2 數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的對比

根據(jù)實際基坑的分步開挖施工工況開展數(shù)值模擬。HSS模型獲得的土層水平和豎向變形云圖、地下連續(xù)墻等值線圖如圖2、3所示(開挖到基坑底部)。得到以下結論：

總位移ux最大值=0.039 04 m(單元2376在節(jié)點13638)最小值=0.038 98 m (單元2689在節(jié)點25416)(a)基坑左半部分土層的水平位移

總位移ux(最大200倍)最大值=0.037 68 m(單元41在節(jié)點13641)最小值=-1.822×10-3 m(單元1在節(jié)點12883)(b)基坑左側地連墻的水平位移圖2 土層和地連墻的水平位移等值線圖

總位移ux最大值=0.055 09 m(單元2719在節(jié)點20992)最小值=-0.028 00 m(單元549在節(jié)點9095)圖3 土層的豎向位移等值線圖

1)土體水平位移最大值為39.0 mm，地下連續(xù)墻的水平位移最大值為37.7 mm，均出現(xiàn)在坑底附近。

2)土體的豎向沉降最大值為28.0 mm，其中地表最大沉降為26.5 mm，出現(xiàn)在距基坑8 m附近位置；坑內土體最大隆起值為55.0 mm，位于基坑中部。

以上這些結果在規(guī)律上都與工程經(jīng)驗和實際情況相符。

為了進一步驗證HSS模型數(shù)值模擬結果的可靠性，將HSS模型和現(xiàn)場監(jiān)測結果進行對比，如圖4、5所示，得到以下規(guī)律：

圖4 HSS模型數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測獲得的地面變形

圖5 HSS模型數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測獲得的地連墻水平變形

1)HSS模型結果在規(guī)律性上與現(xiàn)場監(jiān)測結果較為一致，地連墻水平變形和地表變形與現(xiàn)場監(jiān)測的差值在合理范圍內，數(shù)據(jù)吻合度較好。

2)HSS模型能夠合理地預測基坑開挖變形特性。但需要指出的是：與現(xiàn)場監(jiān)測值相比，HSS模型獲得的地連墻水平位移最大值位于基坑底部偏下位置，推測是試驗獲得的HSS參數(shù)偏小，使得坑底以下土層比實際偏“軟”。

3 基坑突涌判別

建筑基坑規(guī)范給出的壓力平衡法假定承壓水頭壓力只要不大于含水層頂板不透水層土體自重力，就不會發(fā)生突涌。壓力平衡法可用如下公式表示：

(1)

式中：γm為透水層以上土的飽和重度；t+Δt為透水層頂面距離基坑底面的深度；Pw為含水層水壓力；k為安全系數(shù)，一般取1.1。

有限元數(shù)值模擬方法考慮了隔水層土體抗剪強度對抗突涌穩(wěn)定性的有利影響，判別方法比壓力平衡法更符合實際，也更為合理。數(shù)值模擬和壓力平衡法基坑突涌判定結果見表2。壓力平衡法基坑突涌判定結果顯示，當承壓水埋深大于8.8 m(即降水深度超過4.8 m)時，基坑才不會突涌。與傳統(tǒng)壓力平衡法相比，數(shù)值模擬方法顯示只有當承壓水埋深小于6 m時，基坑才會突涌，所需的降水深度更小?；影l(fā)生突涌時數(shù)值計算的結果不收斂，此時隔水層表面土體在承壓水作用下產生了拉應力，超過了土體抗剪強度，發(fā)生了剪切破壞，基坑底部土體隆起過大。以上分析結果說明傳統(tǒng)的基坑突涌壓力平衡判別法過于保守，基坑突涌判定應考慮土體抗剪強度的影響。

表2 數(shù)值模擬和壓力平衡法基坑突涌判定

4 結論

1)由土體HSS模型計算得到的地連墻水平變形和地表沉降與現(xiàn)場監(jiān)測值較為吻合，差值在合理的范圍內，規(guī)律性也符合現(xiàn)場實際和工程經(jīng)驗。因此，利用HSS模型預測深基坑開挖對圍護結構及周圍土體變形是可行的。

2)與傳統(tǒng)壓力平衡法相比，有限元數(shù)值模擬判定基坑突涌需要的降水深度更小，說明傳統(tǒng)壓力平衡法判定基坑突涌過于保守?；油挥颗卸☉紤]土體抗剪強度的影響。

3)準確的土體HSS模型參數(shù)是數(shù)值模擬結果是否合理的關鍵。常規(guī)巖土工程勘察報告一般沒有三軸固結排水卸載-再加載、共振柱試驗，研究HSS模型參數(shù)與常規(guī)巖土工程勘察報告中參數(shù)的經(jīng)驗比值，是后續(xù)研究的一個重要方向。