堆載作用下地鐵車站深基坑開挖模擬與實測數(shù)值分析

李險峰

(淮北職業(yè)技術(shù)學院 建筑工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展,越來越多的地鐵車站深基坑工程問題擺在人們面前。在深基坑施工過程中由于各種因素影響,基坑開挖土方不能及時外運,將土方堆放在基坑兩側(cè)的情況時有發(fā)生。相關(guān)研究表明,坑外堆載會對基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[1-2]。林剛等[3]以基坑開挖全過程為研究對象,設(shè)置了不平衡堆載的工況,采用PLAXIS軟件進行了研究。李玉岐等[4]研究了坑外堆載的大小、施加時間和施加區(qū)域等因素對基坑穩(wěn)定性的影響。吳瓊等[5]采用三維有限元分析方法,分析了堆載與樁基距離對堆載效應的影響。馬重等[6]采用理論分析的方法研究了側(cè)向受荷樁的受力機理和撓曲微分方程,并與數(shù)值計算結(jié)果進行了互相驗證。以上學者采用不同的方法對坑外堆載作用下基坑的穩(wěn)定性進行了研究,對堆載的影響有了一定的認識,但這些方法對深基坑開挖涉及的支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形、土與結(jié)構(gòu)的相互作用等量化分析與處理尚欠具體明確。而本文采用的FLAC3D是國際通用的巖土工程專業(yè)分析軟件,在處理大變形問題的分析方面具有獨特的優(yōu)勢[7]。

本文以合肥市軌道交通5號線黃河路車站基坑為背景,考慮施工過程中由于雨雪等因素影響,基坑開挖土方不能及時外運,將土方堆放在基坑兩側(cè)的不利工況,采用FLAC3D模擬開挖過程,探索堆載的存在對樁體側(cè)向變形、樁體應力以及支撐軸力的影響,并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析,旨在對類似的基礎(chǔ)工程設(shè)計和施工提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

黃河路站為合肥市軌道交通5號線工程的第13個車站。車站主體結(jié)構(gòu)總長158.0 m,標準段結(jié)構(gòu)寬度21.9 m.車站地面南低北高,規(guī)劃地面標高15.85～16.35 m.圍護結(jié)構(gòu)選用直徑為1.0 m,間距為1.3 m的鉆孔灌注樁排樁,支撐體系采用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐。現(xiàn)場實測測點位置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場實測測點布置平面圖Fig.1 Plan of field measurement points

根據(jù)黃河路站巖土工程勘察報告,車站土體參數(shù)如表1所示。

表1 土體參數(shù)Table 1 Parameters of soil

2 計算模型及工況設(shè)置

2.1 模型建立

根據(jù)基坑幾何尺寸,擬定模型尺寸(X×Y×Z)為280.2 m×148.6 m×73.0 m,基坑最大模擬開挖深度為25 m.模型共劃分為514 580個單元、546 256個節(jié)點,模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格示意圖Fig.2 Diagram of model grid

模型邊界條件為:在模型Z=-36.0 m處施加豎向約束,在模型X=-60.8 m、219.4 m,Y=-60.8 m、87.8 m處施加水平約束,模型Z=37.0 m為自由面,不施加任何約束。

冠梁和排樁都采用實體單元進行模擬,鉆孔灌注樁、冠梁的模型參數(shù)如表2所示。模型中支撐體系采用beam單元進行模擬,包括鋼筋混凝土支撐和鋼支撐。鋼筋混凝土支撐、鋼支撐的模型參數(shù)如表3所示。

表2 鉆孔灌注樁、冠梁的模型參數(shù)Table 2 Parameters of models of bored pile and crown beam

表3 支撐參數(shù)Table 3 Parameters of support

2.2 開挖工況設(shè)置

將基坑開挖模擬分為有無堆載兩種情況,無堆載時基坑開挖工況設(shè)置如表4所示。

表4 無堆載時基坑開挖工況設(shè)置Table 4 Working condition settings of foundation pit excavation without surcharge

考慮施工過程中由于雨雪等因素影響,基坑開挖土方不能及時外運,將有一半的土方堆放在基坑兩側(cè)寬度為40 m的范圍,土體重度取γ=20 kN/m3.

如開挖5 m時,開挖土方長度取158.0 m,寬度取21.9 m,則可計算出堆載為:

隨著基坑開挖深度的增加,基坑兩側(cè)堆載也在增加,經(jīng)過換算,不同開挖深度下基坑兩側(cè)堆載及工況設(shè)置見表5.

表5 有堆載時基坑開挖工況設(shè)置Table 5 Working condition settings of foundation pit excavation with surcharge

3 堆載對基坑穩(wěn)定性影響分析

3.1 樁體側(cè)向位移

同一開挖深度下,有無堆載兩種工況下樁體側(cè)向位移對比如圖3所示。

圖3 樁體側(cè)向位移對比Fig.3 Comparison of lateral displacement of piles

圖3 (續(xù))Fig.3 (Continue)

由圖3可以看出,在相同的開挖深度下,堆載的存在使樁體側(cè)向位移增大,且隨著開挖深度的增加,樁體側(cè)向位移增加的也越多。堆載對樁體的側(cè)向位移影響與深度有關(guān),對樁體中部的側(cè)向位移影響較大,對兩端影響較小。

開挖至-5 m,基坑兩側(cè)有堆載工況下樁體側(cè)向位移最大值為6.6 mm,而相同開挖深度無堆載的工況下樁體側(cè)向位移最大值為2.8 mm,同比增大了3.8 mm.

開挖至-10 m,基坑兩側(cè)有堆載工況下樁體側(cè)向位移最大值為12.7 mm,而相同開挖深度無堆載的工況下樁體側(cè)向位移最大值為6.4 mm,同比增大了6.3 mm.

開挖至-15 m,基坑兩側(cè)有堆載工況下樁體側(cè)向位移最大值為24.9 mm,而相同開挖深度無堆載的工況下樁體側(cè)向位移最大值為12.1 mm,同比增大了12.8 mm.

開挖至-20 m,基坑兩側(cè)有堆載工況下樁體側(cè)向位移最大值為38.3 mm,而相同開挖深度無堆載的工況下樁體側(cè)向位移最大值為19.6 mm,同比增大了18.7 mm.

開挖至-25 m,基坑兩側(cè)有堆載工況下樁體側(cè)向位移最大值為44.1 mm,而在相同開挖深度無堆載的工況下樁體側(cè)向位移最大值為23.3 mm,同比增大了20.8 mm.

3.2 樁體應力

在有無堆載兩種工況下樁體拉、壓應力最大值對比如表6所示。

表6 樁體應力對比Table 6 Comparison of pile stress

表6 (續(xù))Table 6 (Continue)

由表6可知,基坑兩側(cè)的堆載使樁體的拉應力和壓應力均出現(xiàn)較大的增長。最大增幅出現(xiàn)在開挖15 m時,相比無堆載工況,有堆載工況下樁體壓應力最大值增幅達到了117.3%,樁體拉應力最大值增幅達到了119.2%.

3.3 支撐軸力

以開挖深度達到25 m時標準段支撐軸力最大值進行分析,在有無堆載兩種工況下支撐軸力最大值對比如表7所示。

表7 支撐軸力對比Table 7 Comparison of supporting axial force

由表7可知,基坑兩側(cè)的堆載使各道支撐的軸力呈現(xiàn)出不同程度的增長。標準段第一道支撐為鋼筋混凝土支撐,在支撐體系中發(fā)揮較大的支撐作用,其增長量相較于其余鋼支撐要大得多。有堆載工況下標準段第2道鋼支撐軸力最大值相比無堆載工況下增大了91.9%,在3道鋼支撐中增幅最大。

4 模擬值與監(jiān)測值對比

4.1 樁體側(cè)向位移模擬值與監(jiān)測值對比

選取開挖深度達到25 m時ZQT5測點樁體側(cè)向位移監(jiān)測值與數(shù)值模擬值進行對比,具體數(shù)據(jù)見表8,樁體側(cè)向位移模擬值與監(jiān)測值對比見圖4.

表8 樁體側(cè)向位移模擬值與監(jiān)測值Table 8 Simulation value and monitoring value of lateral displacement of piles

由表8可知,有堆載現(xiàn)場監(jiān)測的樁體側(cè)向位移最大值為51.0 mm。無堆載模擬工況樁體最大側(cè)向位移值為23.3 mm,與有堆載現(xiàn)場監(jiān)測的樁體側(cè)向位移最大值之間的誤差為54.3%,而有堆載模擬工況樁體最大側(cè)向位移值為44.1 mm,與現(xiàn)場監(jiān)測的樁體側(cè)向位移最大值之間的誤差為13.5%.

由圖4可知,由于基坑開挖現(xiàn)場施工時將部分土方堆放在基坑兩側(cè),因此相較于無堆載工況,有堆載工況下樁體側(cè)向位移模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測值更為接近。樁體側(cè)向位移現(xiàn)場監(jiān)測曲線整體發(fā)展規(guī)律與數(shù)值模擬計算結(jié)構(gòu)基本一致,模擬數(shù)據(jù)呈現(xiàn)規(guī)律的擬合度較好,現(xiàn)場有堆載樁體最大側(cè)向位移監(jiān)測值與有堆載模擬工況樁體最大側(cè)向位移值誤差僅為13.5%.

圖4 樁體側(cè)向位移模擬值與監(jiān)測值對比Fig.4 Comparison of simulation value and monitoring value of lateral displacement of piles

4.2 支撐軸力模擬值與監(jiān)測值對比

現(xiàn)場施工時基坑兩側(cè)存在堆載,因此選取ZCL12測點鋼支撐軸力監(jiān)測值與有堆載工況下數(shù)值模擬值進行對比,如表9所示。

表9 鋼支撐軸力監(jiān)測值與模擬值Table 9 Monitoring value and simulation value of steel supporting axial force

由表9可知,ZCL12測點鋼支撐軸力監(jiān)測值與數(shù)值模擬值誤差均在14%以內(nèi),且數(shù)值模擬結(jié)果中,第2道鋼支撐軸力在3道鋼支撐里是最大的,這與監(jiān)測結(jié)果也是一致的,說明數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的。

5 總結(jié)

1)在相同的開挖深度下,堆載的存在使樁體側(cè)向位移增大,且隨著開挖深度的增加,樁體側(cè)向位移增加的也越多。堆載對樁體中部的側(cè)向位移影響較大,對兩端影響較小。

2)堆載的存在對樁體應力和支撐軸力均產(chǎn)生了較大的影響。開挖15 m時,相比無堆載工況,有堆載工況下樁體壓應力最大值增幅達到了117.3%,樁體拉應力最大值增幅達到了119.2%。開挖深度達到25 m時,有堆載工況下標準段第2道鋼支撐軸力最大值相比無堆載工況下增大了91.9%.

3)基坑圍護結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相應的分布規(guī)律和發(fā)展趨勢一致。樁體最大側(cè)向位移監(jiān)測值與模擬值之間的誤差為13.5%,鋼支撐軸力監(jiān)測值與數(shù)值模擬值誤差均在14%以內(nèi),誤差較小,說明數(shù)值模擬結(jié)果正確可靠,能較為全面地反映基坑的變形特性。

綜上所述,坑外堆載對深基坑工程中樁體側(cè)向位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力等有著較大影響,因此基坑支護設(shè)計應考慮可能出現(xiàn)的堆載工況,同時在施工時應注意及時將開挖的土方外運,減少坑外堆載情況的出現(xiàn),從而保障施工安全。