基于AM樁蓋挖逆作地鐵車站施工力學(xué)有限元分析

張振義， 陳霧航， 許有俊， 李文博

(1. 呼和浩特市城市軌道交通建設(shè)管理有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000; 2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭 014000; 3. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，呼和浩特市區(qū)也開(kāi)始了軌道交通1、2號(hào)線的建設(shè)，其中，某大型換乘車站采用蓋挖逆作法施工，柱下樁基采用AM樁，對(duì)于車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)需進(jìn)行具體的分析。

蓋挖逆作法工序復(fù)雜，基坑開(kāi)挖過(guò)程中伴隨頻繁的“卸荷—加載”作用，使車站結(jié)構(gòu)不斷產(chǎn)生內(nèi)力重分布，導(dǎo)致明顯的差異沉降，給施工和后期車站使用帶來(lái)安全隱患。基坑開(kāi)挖引起土體卸荷回彈致使中柱樁向上抬升，同時(shí)受上部結(jié)構(gòu)自重加載影響又產(chǎn)生沉降，2種因素相互作用，使得施工過(guò)程中中柱樁受力情況變得非常復(fù)雜且具有明顯的時(shí)空效應(yīng)。

目前，針對(duì)地下結(jié)構(gòu)蓋挖逆作施工過(guò)程力學(xué)性能分析取得了較多的研究成果。文獻(xiàn)[1-3]通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析了實(shí)際工程蓋挖逆作法施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力和變形規(guī)律，對(duì)結(jié)構(gòu)的差異沉降做了有關(guān)探討；文獻(xiàn)[4-7]分析了逆作法基坑施工過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律；文獻(xiàn)[8-9]對(duì)目前蓋挖逆作法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)相關(guān)工程案例進(jìn)行了介紹；文獻(xiàn)[10-12]通過(guò)實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析蓋挖逆作施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律；文獻(xiàn)[13]通過(guò)對(duì)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，探討了地下連續(xù)墻的變形及與中間樁柱的差異沉降變化規(guī)律，得出蓋挖逆作法施工應(yīng)以差異沉降作為控制標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[14]通過(guò)有限元模擬分析普通樁、擴(kuò)底樁和支盤樁3種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑開(kāi)挖過(guò)程，得出擴(kuò)底樁能很好地限制樁頂回彈的結(jié)論；文獻(xiàn)[15]通過(guò)有限元方法，探討擴(kuò)底樁承載力與擴(kuò)底直徑、樁長(zhǎng)和擴(kuò)底高度的關(guān)系。

目前的研究成果主要集中在對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻和等直徑樁基的單獨(dú)研究，但隨著地下工程規(guī)模日益擴(kuò)大，AM樁的使用給蓋挖逆作結(jié)構(gòu)施工帶來(lái)更多的不確定性，設(shè)計(jì)和施工中產(chǎn)生的很多新問(wèn)題亟待解決。因此，結(jié)合某采用AM樁的蓋挖逆作大型地鐵換乘車站，通過(guò)建立土與結(jié)構(gòu)共同作用的三維有限元模型，分析施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)受力、變形規(guī)律及AM樁應(yīng)用效果，以期為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供一定的指導(dǎo)和建議。

1 工程概況

本文依托工程為某大型地鐵換乘車站，車站設(shè)計(jì)為T型換乘。換乘節(jié)點(diǎn)處為地下六跨3層結(jié)構(gòu)，采用蓋挖逆作法施工，樁基采用AM樁。因換乘節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)跨度更大，施工時(shí)面臨的難度和不確定性更大，因此選取換乘節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。換乘節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示，其中，結(jié)構(gòu)跨度為49.8 m，地下連續(xù)墻厚度為1 m，內(nèi)襯墻厚度及立柱直徑為0.8 m，相鄰立柱間距為8 m。 AM樁結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

圖1工程結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

Fig. 1 Engineering structure (unit: mm)

圖2 AM樁結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

施工時(shí)，首先施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻和中間立柱樁，明挖覆土至頂板標(biāo)高處后，施作頂板結(jié)構(gòu)，回填覆土并恢復(fù)路面交通，此后的施工作業(yè)均在頂板下進(jìn)行，自上而下逐層施工樓板和內(nèi)襯墻。

2 結(jié)構(gòu)施工過(guò)程有限元分析

2.1 計(jì)算模型的建立

采用ABAQUS通用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行模擬，土體模型尺寸為200 m×8 m×100 m，數(shù)值模型如圖3和圖4所示。本文進(jìn)行三維有限元分析時(shí)，采用以下假定。

1)土體地基的約束條件為： 土體下表面采用全約束，四周表面為法向約束；

2)土體單元類型為三維實(shí)體單元C3D8R，本構(gòu)模型采用摩爾-庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則；

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻、AM樁，地下結(jié)構(gòu)的樓板及中柱均采用三維實(shí)體單元C3D8R模擬，材料本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)；

4)開(kāi)挖引起的周圍地層沉降范圍為1～4倍開(kāi)挖深度，本模型邊界取4倍開(kāi)挖深度；

5)通過(guò)軟件的“生死單元”功能模擬基坑土體的開(kāi)挖和地下結(jié)構(gòu)的施作，在土體單元內(nèi)預(yù)先切分出AM樁和地下連續(xù)墻的形狀；

6)地下連續(xù)墻與土體、AM樁與土體的接觸采用接觸面單元模擬，切向行為摩擦公式選用“罰”函數(shù)，法向行為設(shè)置為“硬”接觸，摩擦因數(shù)根據(jù)規(guī)范要求根據(jù)地層類型選取。

考慮到該地下工程開(kāi)挖范圍大，模型在長(zhǎng)度方向選取1跨進(jìn)行計(jì)算。

圖3 土體數(shù)值模型

圖4 地下結(jié)構(gòu)模型

2.2 土體及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘查報(bào)告,將一定深度范圍內(nèi)土層性質(zhì)及物理力學(xué)參數(shù)相近的土體進(jìn)行合并，主要土體自上而下為素填土、礫砂、圓礫、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂，土體分布和力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1?；炷两Y(jié)構(gòu)采用彈性材料本構(gòu)模擬，考慮鋼筋作用，將相應(yīng)混凝土彈性模量擴(kuò)大1.2倍后進(jìn)行計(jì)算，具體結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 地層土體分布和力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

本文所依托工程采用蓋挖逆作法施工，頂板上部覆土采用明挖法，施作頂板后回填上部覆土并恢復(fù)路面交通，之后在頂板下進(jìn)行開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施作。根據(jù)施工工藝和具體的施工進(jìn)度，將其分為5個(gè)主要工況，見(jiàn)表3。

表3蓋挖逆作施工工況

Table 3 Construction sequences of cut and cover top-down method

計(jì)算工況蓋挖逆作施工過(guò)程1 初始階段,計(jì)算土體自重應(yīng)力(包括地下連續(xù)墻、AM樁、中柱施作)2開(kāi)挖頂板上部覆土,施作頂板,并回填覆土3開(kāi)挖地下1層土體,施作地下1層底板及側(cè)墻4開(kāi)挖地下2層土體,施作地下2層底板及側(cè)墻5開(kāi)挖地下3層土體,施作地下3層底板及側(cè)墻

3 結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻水平位移分析

基坑施工過(guò)程中，由于土體開(kāi)挖卸載，地下連續(xù)墻受到外部土壓力作用產(chǎn)生向基坑內(nèi)部的位移。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，現(xiàn)取左側(cè)地下連續(xù)墻為研究對(duì)象。各開(kāi)挖工況下地下連續(xù)墻水平位移s沿其深度h的變化曲線如圖5所示。

施工過(guò)程中，地下連續(xù)墻最大水平位移出現(xiàn)位置隨開(kāi)挖逐步下降。開(kāi)挖地下1層土體后，由于頂板的支撐作用，地下連續(xù)墻頂部位移基本保持不變，最大水平位移為7.01 mm。隨著施工進(jìn)行，地下1層底板施作完成，地下2層土體開(kāi)挖后，地下連續(xù)墻最大水平位移為12.28 mm，位于基坑開(kāi)挖面以下地下2層底板位置處。地下3層土體開(kāi)挖后，由于地下2層底板的支撐，地下2層底板與地下連續(xù)墻相交處水平位移增幅明顯減小，基本保持不變，最大水平位移為19.47 mm，位于開(kāi)挖面以下底板位置處。此時(shí)，位移為施工過(guò)程中的最大值，分析其原因，地下3層層高大于地下1層和2層，達(dá)到7.25 m，因此地下連續(xù)墻承受更大的外部土壓力。地下3層底板施作后，由于支撐作用較小，地下連續(xù)墻最大水平位移并無(wú)明顯變化。

圖5 地下連續(xù)墻水平位移與深度變化曲線

Fig. 5 Relationship between horizontal displacement and depth of underground diaphragm wall

3.2 施工過(guò)程中AM樁受力分析

施工過(guò)程中柱下AM樁軸力分布及其隨施工步變化曲線如圖6所示。

圖6 樁身軸力分布及變化曲線

1)初始狀態(tài)下，中樁在自重作用下軸力整體呈受壓狀態(tài)，且底部軸力最大，頂部軸力最小，在AM樁擴(kuò)底處軸力斜率發(fā)生突變急劇增大。

2)頂部覆土開(kāi)挖后，由于土體開(kāi)挖卸載，基坑底部土體隆起，帶動(dòng)樁體上拔，此時(shí)樁身上部處于受拉狀態(tài)，樁身中、下部處于受壓狀態(tài)，在樁身擴(kuò)底段軸力急劇增大。

3)隨著上部結(jié)構(gòu)的施作，結(jié)構(gòu)自重對(duì)樁基加載，壓力由樁頂向樁底傳遞，樁體呈現(xiàn)上部受壓，擴(kuò)底處上部局部受拉，底部擴(kuò)底段軸力急劇增大并逐漸增大至受壓的狀態(tài)。

4)施作完底板以后，地下結(jié)構(gòu)施工完成，AM樁整體呈受壓狀態(tài)。

3.3 差異沉降分析

基坑施工時(shí)由于土體開(kāi)挖卸荷，受土體回彈的影響，立柱樁和地下連續(xù)墻均表現(xiàn)為隆起。隨著地下結(jié)構(gòu)施作，立柱樁和地下連續(xù)墻在上部結(jié)構(gòu)自重荷載作用下出現(xiàn)壓沉。此外，由于地下連續(xù)墻為縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，中間立柱樁縱向不連續(xù)，受力形式不同，加之地下連續(xù)墻入土段深度小于立柱樁，土的回彈作用對(duì)中間立柱樁的隆沉影響大于兩側(cè)地下連續(xù)墻，從而使二者之間產(chǎn)生差異沉降。差異沉降會(huì)引起地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，引起附加應(yīng)力，差異沉降過(guò)大則會(huì)危及結(jié)構(gòu)安全。

各工況下地下連續(xù)墻與中間立柱在頂板高度處的隆起變化如圖7 所示。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，施工過(guò)程中，中間立柱樁和兩側(cè)地下連續(xù)墻均表現(xiàn)為隆起，且中間部位隆起最大，兩端地下連續(xù)墻隆起最小，開(kāi)挖下一層土體后結(jié)構(gòu)的隆起值大于上一層開(kāi)挖步的隆起值，開(kāi)挖地下3層時(shí)，地下連續(xù)墻與相鄰中柱間的差異沉降達(dá)到最大值。施作底板后，隆起值有所減小。

圖7 各工況中柱和地下連續(xù)墻頂部隆起變化

Fig. 7 Differential settlement curves of middle pillars and underground diaphragm wall top

3.4 AM樁在蓋挖逆作施工中的應(yīng)用效果分析

等直徑樁在抗拔時(shí)，一旦樁側(cè)摩阻力發(fā)揮到極致，由于沒(méi)有其他樁端力的作用，樁土之間便會(huì)發(fā)生很大的相對(duì)位移，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。AM樁由于擴(kuò)底段與土體之間有著復(fù)雜的作用關(guān)系，當(dāng)樁側(cè)摩阻力不足時(shí)，擴(kuò)底段能夠通過(guò)增加樁土相對(duì)位移而持續(xù)提供承載力，因此在蓋挖逆作法施工過(guò)程中，能夠有效減小上部結(jié)構(gòu)的隆起和柱與柱、柱與墻之間的差異沉降。在樁長(zhǎng)、等直徑段樁徑參數(shù)相同的情況下，采用AM樁與等直徑樁的蓋挖逆作地下結(jié)構(gòu)各工況下柱頂隆起對(duì)比如圖8所示。

(a) 開(kāi)挖地下1層

(b) 開(kāi)挖地下2層

(c) 開(kāi)挖地下3層

(d) 施作底板后

Fig. 8 Comparison of structural displacement among different conditions

在樁長(zhǎng)和等直徑段樁徑參數(shù)相同的情況下，采用AM樁的結(jié)構(gòu)隆起小于采用等直徑樁的結(jié)構(gòu)隆起。開(kāi)挖地下1層后，2種樁基形式引起的隆起比較接近，隨著開(kāi)挖步的進(jìn)行，土體回彈，帶動(dòng)樁基上拔，AM樁的抗拔能力明顯高于等直徑樁。2種樁基形式下結(jié)構(gòu)的差異沉降曲線如圖9所示。地下結(jié)構(gòu)施作完成以后，采用AM樁的結(jié)構(gòu)隆起比采用等直徑樁的隆起減小約9 mm，且地下連續(xù)墻與相鄰中柱差異沉降減小約6 mm?？梢?jiàn)在蓋挖逆作施工過(guò)程中，采用AM樁能夠有效減小結(jié)構(gòu)的差異沉降。

圖9 結(jié)構(gòu)差異沉降曲線

4 結(jié)論與建議

1)基坑施工過(guò)程中，地下連續(xù)墻最大變形出現(xiàn)在開(kāi)挖地下3層土體工況。由于樓板起到了良好的支撐作用，有效限制了地下連續(xù)墻的變形，保證了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，體現(xiàn)了蓋挖逆作法利用樓板代替臨時(shí)支撐的優(yōu)越性。對(duì)于層高較高的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)可在開(kāi)挖底層土體工況時(shí)設(shè)置臨時(shí)支撐，待底板封底后拆除，以保證結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。

2)基坑施工過(guò)程中由于土體開(kāi)挖導(dǎo)致下部土體回彈，帶動(dòng)AM樁上拔，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)自重對(duì)AM樁作用向下的荷載，致使樁身出現(xiàn)上部受壓，擴(kuò)底處上部局部受拉，在擴(kuò)底處內(nèi)力出現(xiàn)突變急劇增大并最終在底部呈受壓狀態(tài)的現(xiàn)象。

3)施工時(shí)地下連續(xù)墻與中間立柱樁始終為隆起狀態(tài)且地下連續(xù)墻隆起小于相鄰立柱樁。差異沉降隨施工進(jìn)行逐步增大，在底板施工完成后差異沉降值出現(xiàn)一定程度減小。差異沉降值達(dá)到最大時(shí)對(duì)應(yīng)開(kāi)挖地下3層土體工況，為地下結(jié)構(gòu)受力最不利工況，建議盡快施工底板進(jìn)行封底，減少坑底暴露時(shí)間，保證結(jié)構(gòu)安全。

4)在樁長(zhǎng)、等直徑段樁徑參數(shù)相同的情況下，采用AM樁的結(jié)構(gòu)隆起小于采用等直徑樁的結(jié)構(gòu)隆起。隨著施工的進(jìn)行，AM樁的抗拔能力明顯高于等直徑樁，引起的差異沉降小于等直徑樁結(jié)構(gòu)，采用AM樁能夠有效減小結(jié)構(gòu)的差異沉降。對(duì)于控制結(jié)構(gòu)整體隆起及差異沉降要求較高的地下工程，設(shè)計(jì)時(shí)建議采用AM樁作為樁基。