溫度對(duì)地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

李 兵,曲晶彤,葛思遠(yuǎn)

(沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168)

21世紀(jì)中國各城市地鐵的覆蓋率已成為衡量城市幸福指數(shù),評(píng)價(jià)人民生活質(zhì)量的主要指標(biāo)[1-2]。在實(shí)際工程中,地鐵深基坑工程比較復(fù)雜,針對(duì)溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響展開研究并取得不凡的研究成果[3-5]。N.Massoudi[6]總結(jié)分析了美國某大廈的經(jīng)典改造工程連續(xù)14個(gè)月的基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)并指出溫度場(chǎng)變化過程對(duì)于深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,其錨桿變形和受力與溫度均存在一定關(guān)系,溫度升高,軸力減小,反之成立。陸培毅等[7]根據(jù)實(shí)際基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)工程,利用修正劍橋彈塑性模型,對(duì)于溫度應(yīng)力在開挖過程中產(chǎn)生溫度效應(yīng),得到環(huán)境溫度變化比較大時(shí),需要將其作為工況考慮。甘朝鋒[8]通過對(duì)我國南方某地溫差達(dá)到20 ℃進(jìn)行施工監(jiān)測(cè),對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合溫度變化研究,得出溫度應(yīng)力對(duì)支撐軸力和結(jié)構(gòu)變形的影響變化規(guī)律。王瑩[9]以天津某深基坑在建工程為例,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,只在溫度作用下的內(nèi)支撐體系變化情況,進(jìn)一步證明了溫度效應(yīng)對(duì)于內(nèi)支撐體系變形產(chǎn)生影響?；庸こ虒儆诖笮偷呐R時(shí)性工程,在設(shè)計(jì)計(jì)算階段把一些對(duì)基坑圍護(hù)和支撐體系影響比較小的非永久荷載往往忽略不計(jì)或者簡(jiǎn)要計(jì)算,但是由于我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn),基坑設(shè)計(jì)和適用范圍不斷擴(kuò)大,加之周邊的環(huán)境復(fù)雜,通過一些工程上的檢測(cè)數(shù)據(jù)和分析研究,部分基坑意外(高溫)事故發(fā)生后往往是不可控制的[10-12]。支護(hù)結(jié)構(gòu)大部分都是采用一些受高溫性能易產(chǎn)生變化的材料,溫度高低變化直接會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部性質(zhì)發(fā)生改變[13-14]。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120—2012),當(dāng)基坑支撐結(jié)構(gòu)超過40m時(shí)需對(duì)其考慮支撐內(nèi)力的影響。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算,支撐系統(tǒng)在溫度變化的影響下,引起支撐內(nèi)部的軸力變化,所產(chǎn)生的高溫或者極端的溫差變化導(dǎo)致基坑工程出現(xiàn)安全事故,需研究溫差變化在基坑工程的效應(yīng)[15-17]。筆者研究溫度對(duì)地鐵深基坑工程的影響,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與有限元模型的對(duì)比分析,得出溫度變化會(huì)使鋼支撐產(chǎn)生熱脹冷縮,地連墻發(fā)生朝向基坑內(nèi)方向的位移趨勢(shì)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

沈陽地鐵北大營街站是處于地鐵4號(hào)線和10號(hào)線的換乘車站。車站為地下兩層雙柱三跨島式站臺(tái)車站,有效站臺(tái)寬度14 m,車站長166 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.9 m,盾構(gòu)井段寬26.7 m。車站頂板覆土約3.5～4.4 m,基坑深度26.15 m,車站采用蓋挖順做工法施工,車站標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁φ1 000@1 400,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁,第1層為混凝土支撐,其下有4道鋼支撐。

1.2 工程監(jiān)測(cè)

施工段地處城市老城區(qū)居民區(qū),周圍建筑較多管線分布密集,周圍環(huán)境復(fù)雜,對(duì)施工要求較高需制定較為嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)措施。對(duì)深基坑主體進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置工作,對(duì)深基坑的鋼支撐及地連墻均布置有12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),鋼支撐監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為ZCZL1～ZCZL12,地連墻的監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為CX1～CX12,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體布置情況如圖1所示。

圖1 深基坑北區(qū)布置點(diǎn)平面圖Fig.1 Monitoring point layout plan in north area of deep foundation pit

2 工程監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 支撐軸力實(shí)測(cè)分析

所選施工段的施工周期自2018年10月起至次年的1月結(jié)束,但現(xiàn)場(chǎng)的軸力、地表沉降、建筑沉降和測(cè)斜等監(jiān)測(cè)仍照常運(yùn)行直至2019年4月,且這段時(shí)期未受到其他因素的干擾,為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度的研究提供了近乎理想的測(cè)量條件。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的狀況、監(jiān)測(cè)條件等對(duì)車站深基坑北區(qū)標(biāo)準(zhǔn)段和標(biāo)準(zhǔn)段相結(jié)合的第4施工段進(jìn)行了相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)工作。表1為第1道、第2道鋼支撐實(shí)測(cè)軸力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度。鋼支撐受溫度作用影響較大,且與周圍的支護(hù)結(jié)構(gòu)相連相互作用。導(dǎo)致周圍環(huán)境受到影響,鋼支撐在溫度差作用下會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱脹冷縮現(xiàn)象,隨著施工環(huán)境溫度的變化鋼支撐也會(huì)產(chǎn)生一定的變形,當(dāng)冬季溫度相對(duì)較低時(shí),支撐出現(xiàn)收縮變形,周圍土體與其變形不一致導(dǎo)致對(duì)鋼支撐的約束也會(huì)相應(yīng)減小,軸力逐漸變小甚至消失;而隨著季節(jié)交替氣溫逐漸回暖,鋼支撐出現(xiàn)膨脹變形四周的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)其約束作用逐步增強(qiáng),鋼支撐軸力也逐漸增大,出現(xiàn)鋼支撐軸力隨著溫度的逐漸升高而增大的現(xiàn)象,為了保證鋼支撐結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到預(yù)期工況,溫度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不容忽視。

表1中鋼支撐受溫度變化而出現(xiàn)的軸力差值變化。溫度變化對(duì)于第1道鋼支撐軸力所造成影響小于第2道鋼支撐。原因是:①隨著基坑深度的不斷增加,支撐周圍的土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)其的約束作用不斷增加,溫度對(duì)下層支撐軸力所造成的影響也隨之增大;②深度較淺的支撐受溫度影響產(chǎn)生較大位移,而埋深大的支撐受溫度作用位移量略小,上層支撐由于受到較大位移作用支撐受力收到了部分的卸載,所產(chǎn)生的結(jié)果就是第1道鋼支撐軸力受溫度變化的影響小于第2道。

表1 不同支撐實(shí)測(cè)軸力與對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度

2.2 不同溫度下地連墻水平位移變化情況

支撐體系在完成開挖階段后,以10 ℃為變化幅度,5組不同溫度變化條件下的地下連續(xù)墻的水平位移變化曲線如圖2所示。

圖2 不同溫度下地連墻水平位移變化曲線

從圖2可以看出,隨著溫度的不斷升高地連墻向坑外方向移動(dòng)的趨勢(shì)更加明顯,反之成立。因坑底以下由兩側(cè)土體對(duì)其產(chǎn)生約束作用,地連墻的位移相對(duì)較小,故在基坑的坑底以上與支撐結(jié)構(gòu)連接部分的地連墻水平位移變化量較大,第1道和第2道支撐的中間部位出現(xiàn)最大水平位移增量。

3 有限元分析過程及驗(yàn)證

為深入探究溫度對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算。針對(duì)沈陽地鐵實(shí)際工程進(jìn)行模擬分析,測(cè)量地鐵車站主體深基坑長度為125 m,寬度為25 m,基坑深度為25 m。根據(jù)相關(guān)研究和圣維南原理可知,基坑開挖對(duì)土體的擾動(dòng)范圍大致在基坑開挖深度的3～4倍[18],文中有限元模型取長240 m寬125 m,深50 m,有限元模型如圖3所示。

圖3 整體模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the whole model

3.1 有限元模型參數(shù)選取

根據(jù)沈陽地鐵實(shí)際工程作為模型依據(jù),對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,真實(shí)準(zhǔn)確地反映實(shí)際工程的各方面特性。對(duì)土體的本構(gòu)模型選用Mohr-Coulonb準(zhǔn)則(彈-塑性模型)。根據(jù)沈陽地鐵北大營站深基坑實(shí)際地質(zhì)勘察報(bào)告以及實(shí)際調(diào)研,土層厚度及參數(shù)如表2所示。

表2 主要土層參數(shù)Table 2 Key soil parameters

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁,圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。鉆孔灌注樁是由單個(gè)樁體形成的樁體組,其受力形式基本與地下連續(xù)墻一致。在建模計(jì)算過程中將圍護(hù)樁等效成地下連續(xù)墻的形式。由于在支撐對(duì)應(yīng)位置安設(shè)了圈梁和鋼圍檁,加強(qiáng)了樁體的整體剛度,筆者根據(jù)抗彎剛度相等的原則,將圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等剛度結(jié)構(gòu)的壁式地下連續(xù)墻來模擬[19]。等剛度轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻的厚度h取值為1.18 m。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of enclosure structure

3.2 有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4為施工段的支撐軸力有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比曲線,通過對(duì)比可以看出施工段內(nèi)支撐軸力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的變化趨勢(shì)大致相同。由于實(shí)際基坑內(nèi)部土體存在地下水的滲流作用,但模型建立過程未考慮地下水對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的影響,且模型建立及施工環(huán)境相對(duì)理想,故存在一些差異。

圖4 施工段支撐軸力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖

圖5為對(duì)深基坑圍護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測(cè)選取3個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行模擬分析所得對(duì)比圖。由有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,有限元分析過程能夠體現(xiàn)實(shí)際工程受力變化過程,有限元分析過程合理有效。

圖5 地下連續(xù)墻水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖

4 溫度對(duì)深基坑支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生效應(yīng)的影響因素分析

根據(jù)建立的有限元分析過程,分析溫度對(duì)支撐體系的主要影響因素,在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中支撐結(jié)構(gòu)受到溫度變化影響較明顯,根據(jù)材料特性分析,對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、支撐剛度、支撐材料線膨脹系數(shù)等因素變化的情況下進(jìn)行分析。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度變化的影響分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度采用材料彈性模量E=26 GPa、E=39 GPa、E=52 GPa狀態(tài)下,有限元模型模擬計(jì)算的支撐軸力。圖6為在圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度改變對(duì)于第1道支撐、第2道鋼支撐支撐軸力在不同溫度下的變化曲線。圖7為不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下地連墻水平位移增量溫度變化曲線。根據(jù)圖中軸力變化曲線能夠看出,第1道鋼支撐隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增大,支撐軸力隨溫度變化的越程度越大,當(dāng)E=26 GPa時(shí),軸力接近于一條平滑的直線,圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度不斷地增大。第2道鋼支撐也隨之變化,支撐軸力隨溫度的變化曲線變得越來越陡峭,第1道鋼支撐的軸力變幅受圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度影響明顯大于第2道鋼支撐,通過水平位移增量變化圖分析,當(dāng)t=40 ℃時(shí),不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下地連墻水平位移增量變化差異不明顯。因此,剛度越大,受到的溫度變化越明顯。采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)盡量采取相對(duì)小的剛度,來減緩支撐軸力受到溫度變化的影響。

圖6 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下鋼支撐軸力溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of steel support’s axial force under different enclosure stiffness

圖7 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下地連墻水平位移增量變化曲線

4.2 支撐剛度變化的影響分析

支撐結(jié)構(gòu)主要依靠鋼材進(jìn)行支撐及承重,以常規(guī)的鋼材作為標(biāo)準(zhǔn),選取不同數(shù)值的彈性模量E=103 GPa、E=206 GPa、E=309 GPa來改變支撐剛度。模擬計(jì)算支撐軸力和地連墻水平位移變化情況。圖8為改變支撐剛度的情況下,第1道、第2道鋼支撐與溫度的變化規(guī)律。圖9為不同支撐剛度下地連墻水平位移增量溫度變化曲線。在一定溫度下,在給定條件下水平位移增量變化情況,由圖9可知,地連墻在條件改變的狀態(tài)下,增量出現(xiàn)較小的波動(dòng)。因此,支撐剛度對(duì)支撐軸力在溫度影響下的變化較小,增加剛度降低軸力受溫度的影響。

圖8 不同支撐剛度下支撐軸力溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation curve of support axial force under different support stiffness

圖9 不同支撐剛度下地連墻水平位移增量變化曲線

4.3 線膨脹系數(shù)變化的影響分析

鋼支撐的線膨脹系數(shù)是影響鋼支撐溫度與應(yīng)力大小的主要因素。支撐材料線膨脹系數(shù)α=1.0-5、α=1.2-5、α=1.5-5狀態(tài)下,不同支撐結(jié)構(gòu)膨脹系數(shù)對(duì)第1道、第2道鋼支撐受到溫度變化的軸力曲線變化如圖10所示。從圖10可以看出,隨著線膨脹系數(shù)的增加,第1道鋼支撐軸力變化曲線變化下降趨勢(shì)不斷加快,第2道鋼支撐軸力變化曲線變化上升趨勢(shì)不斷加快。圖11為t=40 ℃時(shí)地下連續(xù)墻在不同支撐線脹系數(shù)下的水平位移增量變化曲線圖。

圖10 不同線膨脹系數(shù)鋼支撐軸力溫度變化曲線Fig.10 Temperature variation curve of axial force of steel brace with different coefficient of linear expansion

圖11 不同線膨脹系數(shù)地連墻水平位移增量變化曲線

從圖11可知,水平位移增量與支撐線脹系數(shù)呈正相關(guān),水平位移增量隨著線脹系數(shù)的增大而增加。因此，降低支撐的線膨脹系數(shù)能有效的減緩鋼支撐受到溫度變化時(shí)的形變程度，進(jìn)一步降低支撐軸力受溫度的影響。

5 結(jié) 論

(1)通過有限元軟件模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,能夠相對(duì)完整地還原現(xiàn)場(chǎng)施工過程,驗(yàn)證整體模型具有合理性。模擬結(jié)果變形曲線較平穩(wěn),該模型對(duì)實(shí)際工程具有借鑒作用。

(2)在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中,溫度變化對(duì)支撐軸力具有較大的影響。對(duì)于施工地點(diǎn)處于溫度差變化大的地區(qū)，基坑施工設(shè)計(jì)時(shí)考慮溫度效應(yīng)對(duì)基坑支護(hù)的影響。溫差變化會(huì)使鋼支撐產(chǎn)生熱脹冷縮,導(dǎo)致地連墻發(fā)生朝向基坑內(nèi)方向的移動(dòng)趨勢(shì),施工過程中對(duì)于鋼支撐和地連墻抵抗溫度效應(yīng)保護(hù)是必要的。

(3)通過改變鋼支撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的變化影響,為確保施工安全,減小溫度的影響可采取增加深基坑周圍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度,并采用膨脹系數(shù)相對(duì)較小的支撐材料來減小溫度效應(yīng)對(duì)深基坑以及周圍環(huán)境、建筑物的影響。