基于有限元分析地鐵深基坑開(kāi)挖周?chē)乇沓两?/h1>

2022-10-26 07:05:18楊永強(qiáng)YANGYongqiang辛永江XINYongjiang張永波ZHANGYongbo

價(jià)值工程訂閱 2022年29期 收藏

關(guān)鍵詞：深度影響模型

楊永強(qiáng) YANG Yong-qiang；辛永江 XIN Yong-jiang；張永波 ZHANG Yong-bo

（①西藏大學(xué)，拉薩 850000；②中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200000）

0 引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)我國(guó)常住人口城鎮(zhèn)化率已經(jīng)高達(dá)到60%以上，城市面對(duì)人口的大量涌入就需要面對(duì)較嚴(yán)重的城市群常有的環(huán)境問(wèn)題、住房問(wèn)題和交通問(wèn)題。其中交通問(wèn)題的解決上，立體的交通體系有效的利用到有限的地面空間，是改善城市交通的常見(jiàn)方式。地鐵作為公共交通同時(shí)又是地下交通設(shè)施在現(xiàn)如今大城市交通中承擔(dān)著重要的通勤任務(wù)，更是擁有著減少污染，節(jié)約能源，減少干擾等優(yōu)點(diǎn)。但是在地鐵施工的建設(shè)中不可避免地會(huì)對(duì)周?chē)械亟ㄖ?，地下管線(xiàn)等原有設(shè)施造成影響，因此對(duì)于地鐵基坑開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)影響因素分析是必要的工作。

針對(duì)地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖的變形沉降規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者以數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等多種手段進(jìn)行了研究。張建全等對(duì)北京不同區(qū)域明挖基坑地表沉降變化進(jìn)行了研究，進(jìn)行了四點(diǎn)折線(xiàn)法地表沉降預(yù)測(cè)研究。張連澤等運(yùn)用FLAC對(duì)成都地鐵麓山站明挖基坑進(jìn)行了三維模擬。劉杰等對(duì)地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。涂儒杰等運(yùn)用Midas/GTS NX軟件對(duì)臨近地鐵工程的基坑開(kāi)挖進(jìn)行了安全評(píng)估。譚維佳等運(yùn)用FLCA分析同一個(gè)基坑對(duì)不同建筑物影響的不同。王立新等運(yùn)用Midas/GTS NX軟件研究了基坑卸載對(duì)臨近地鐵車(chē)站影響的數(shù)值模擬。

鑒于此，為獲得合肥地區(qū)地層地鐵基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近的周?chē)馏w影響規(guī)律，以合肥地鐵五號(hào)線(xiàn)某車(chē)站為例，建立地鐵開(kāi)挖的三維數(shù)值模擬，總結(jié)不同施工階段下基坑周?chē)馏w位移變化趨勢(shì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變化產(chǎn)生的相對(duì)應(yīng)變化。為合肥地區(qū)地鐵施工提供相對(duì)應(yīng)的參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

本文選取合肥地鐵5號(hào)線(xiàn)的某地鐵車(chē)站為研究對(duì)象，該地鐵車(chē)站車(chē)站主體總長(zhǎng)276.4m。標(biāo)準(zhǔn)段總寬度20.7m。站地面起伏較小，地面標(biāo)高約22.64-24.03m；站臺(tái)中心處頂板覆土約4.05m。標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約15.6-17.6m；小里程端頭井覆土約3.1m，埋深約16.97m，大里程端頭井覆土約4.2m，埋深約18.90m?？拥孜挥冖?層黏土層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用1m直徑間距1.4m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)約22.0-23.0m沿基坑深度方向設(shè)置三道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，第二第三道支撐為鋼支撐。車(chē)站采用明挖法施工。平面示意圖如圖1所示，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。

圖1 新建地鐵開(kāi)挖基坑與原有房屋建筑平面位置圖

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 工程地質(zhì)概況

該地鐵擬建區(qū)域?qū)俣?jí)階地地貌類(lèi)型，該地區(qū)覆蓋層為第四紀(jì)人工堆積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層。區(qū)域地層自上而下為：第一層素填土（①，厚度0.3-2m）以黏性土為主，含少量碎石、磚渣等雜物，局部表層為混凝土地面或?yàn)r青路面；第二層黏土（⑥1具有微膨脹性，厚度2-4m）；第三層黏土（⑥2具有微膨脹性，厚度30-40m）。根據(jù)結(jié)構(gòu)與性狀特征分為三層，層面起伏較小，地層地質(zhì)層級(jí)如圖2所示。

1.3 水文條件

場(chǎng)地施工影響深度范圍內(nèi)地下水主要賦存于人工填土中，以上層滯水為主水量微弱。測(cè)得水位埋深為1.80-4.20m，平均埋深為2.65m。地下水徑流形式主要為孔隙間滲流。黏土層和全風(fēng)化巖富水性及透水性較差，連通性差，因此地下水徑流一般。

2 有限元模型建立與施工工況模擬

2.1 模型建立

采用有限元軟件Midas GTS NX建立模型，考慮實(shí)際基坑的長(zhǎng)寬比過(guò)大，不方便結(jié)果的查看以及模型的建立，故只截取標(biāo)準(zhǔn)段及相連接端頭井基坑建立三維模型。充分考慮基坑內(nèi)土體開(kāi)挖卸荷，導(dǎo)致基坑臨近土體應(yīng)力重分布從而產(chǎn)生的位移將基坑工程影響分區(qū)為主要影響區(qū)（Ⅰ）、次要影響區(qū)（Ⅱ）和可能影響區(qū)（Ⅲ）。基坑工程開(kāi)挖影響分區(qū)如圖4所示，H為基坑開(kāi)挖深度。充分考慮基坑施工對(duì)周邊的影響范圍，同時(shí)為消除邊界效應(yīng)影響并考慮計(jì)算精度，基坑外圍土體取值不小于3倍基坑開(kāi)挖深度，深度方向取值不小于2倍的圍護(hù)樁樁底嵌入深度。最終本模型構(gòu)建模型尺寸為：長(zhǎng)236m、寬130m、深46m，基坑開(kāi)挖深16m、標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7m，共計(jì)277063個(gè)單元，1900036個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立整體基坑開(kāi)挖模型如圖3所示。

圖3 有限元基坑開(kāi)挖模型

圖4 基坑工程影響分區(qū)

為滿(mǎn)足模型的建立以及順利計(jì)算在建模過(guò)程中進(jìn)行了一定處理：①考慮到地層起伏較小，且對(duì)結(jié)果影響較小，為方便建模取標(biāo)準(zhǔn)段斷面地層等厚處理。②本模型建立時(shí)忽略周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生的荷載。

模型中涉及到的各地層土體物理力學(xué)參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)均參考設(shè)計(jì)圖紙以及地質(zhì)勘探報(bào)告并結(jié)合以往工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定。地層土體力學(xué)參數(shù)祥見(jiàn)表1、圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元參數(shù)詳見(jiàn)表2。土體的計(jì)算模型選用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，冠梁、圍檁、鋼支撐選用一維梁?jiǎn)卧M，擋土墻選用板單元模擬，材料本構(gòu)選用的為彈性模型。將圍護(hù)樁根據(jù)抗彎剛度相等原則等效為一定厚度地下連續(xù)墻模擬圍護(hù)樁。計(jì)算公式如下：

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 模型結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

其中，D—圍護(hù)樁直徑；t—圍護(hù)樁凈間距；h—地下連續(xù)墻的等效厚度。

邊界條件設(shè)定：模型上表面為地表，設(shè)定為自由邊界；側(cè)面均存在實(shí)體設(shè)定為位移邊界限制水平移動(dòng)；底面設(shè)定為固定邊界限制垂直移動(dòng)以及水平移動(dòng)，模型整體受重力影響。

2.2 施工過(guò)程模擬

運(yùn)用Midas GTS NX軟件能夠?qū)崿F(xiàn)在不同的施工階段進(jìn)行模擬分析，得到各個(gè)施工階段的土體位移云圖、以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同施工階段的位移云圖。為求最大化的貼合實(shí)際施工狀況分析時(shí)所設(shè)定工況結(jié)合了施工實(shí)際情況以及設(shè)計(jì)主體標(biāo)準(zhǔn)段施工工序。設(shè)定分析工況如下：

第一階段：初始階段，模擬土體固結(jié)邊界條件產(chǎn)生的位移清零。

第二階段：圍護(hù)樁施工完成。

第三階段：開(kāi)挖至-2m處第一道支撐在-1m處，冠梁、擋土墻、第一道支撐施工完后成。

第四階段：開(kāi)挖至-4m處。

第五階段：開(kāi)挖至-6m處。

第六階段：開(kāi)挖至-8m處第二道支撐位于-7.1m。第二道支撐施工完成。

第七階段：開(kāi)挖至-11m處。

第八階段：開(kāi)挖至-14m處第三道支撐位于-12.7m。第三道支撐施工完成。

第九階段：開(kāi)挖至基坑設(shè)計(jì)深度-16m處。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬分析

通過(guò)上述參數(shù)以及模型，對(duì)基坑開(kāi)挖和支護(hù)進(jìn)行數(shù)值分析運(yùn)算，開(kāi)挖至基坑底部整體豎直位移變形如圖5所示。土體在開(kāi)挖過(guò)程中原有的土體平衡狀態(tài)被打破，圍護(hù)結(jié)構(gòu)被周?chē)馏w向基坑內(nèi)推動(dòng)，逐漸向基坑內(nèi)產(chǎn)生位移，如圖5最終呈現(xiàn)出基坑周?chē)两?，基坑底部隆起?/p>

圖5 開(kāi)挖至坑底豎向位移云圖

隨著施工過(guò)程的變化基坑外地表沉降情況如圖6所示，基坑開(kāi)挖引起的地表沉降曲線(xiàn)可以分為三角形和凹槽型兩種形態(tài)，當(dāng)基坑采用懸臂式支護(hù)或支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大時(shí)，最大的沉降值在基坑邊緣處，沉降曲線(xiàn)會(huì)呈現(xiàn)出三角形分布，在工況二和工況三情況下便呈現(xiàn)出三角形分布。隨著開(kāi)挖深度的不斷增大，開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)由擋土墻部分開(kāi)挖至圍護(hù)樁內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)外部的土體與圍護(hù)樁接觸產(chǎn)生的摩擦力一定程度上限制了土體下沉，地表沉降明顯呈凹槽形分布且伴隨著基坑開(kāi)挖深度變大沉降量也不斷變大。所呈現(xiàn)出的不同施工階段地表沉降與圖4基坑開(kāi)挖影響分區(qū)相符合，最大的沉降范圍約為2倍的基坑開(kāi)挖深度，3倍基坑開(kāi)挖范圍外基坑沉降影響較小為可能影響區(qū)。最大沉降數(shù)值在坑壁后一倍基坑開(kāi)挖深度之間，整體呈現(xiàn)出凹槽型分布。

圖6 不同施工階段下地表沉降圖

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移具有明顯的伴隨開(kāi)挖深度變化變形的特點(diǎn)，這是由于伴隨基坑開(kāi)挖深度加深，基坑內(nèi)外的土壓力差之間增加，達(dá)到基坑開(kāi)挖底部時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形隨之達(dá)到最大值。當(dāng)進(jìn)行到工況七時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形出現(xiàn)兩個(gè)峰值，這兩個(gè)變形的峰值分別在地下-4m附近和-10m附近。而在-7.1m第二道支撐位置，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形明顯減小。整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中最大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移位于-10m左右第二道支撐與第三道支撐之間。不同施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移如圖7所示。

圖7 不同施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)坑外地表沉降分析

基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)乇沓两涤绊懸蛩赜泻芏?，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，圍護(hù)樁的入土深度、圍護(hù)樁樁徑、以及圍護(hù)樁樁間距、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、支撐的安放位置等。本文針對(duì)其中的樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距進(jìn)行敏感性分析探索基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理設(shè)計(jì)。

運(yùn)用控制變量法在樁間距、樁長(zhǎng)保持不變的情況下調(diào)整樁直徑，分別模擬不同間距狀況下的基坑周?chē)两底兓?。分別采取1.2m直徑、1m設(shè)計(jì)直徑、0.8m直徑進(jìn)行分析并將這幾種情況分析結(jié)果進(jìn)行繪圖對(duì)比，結(jié)果圖如圖8所示，樁徑0.8m沉降值略大于1.0m設(shè)計(jì)樁徑的沉降值而1.2m樁徑沉降值小于1.0m設(shè)計(jì)樁徑沉降值且大于0.8m樁徑沉降值，呈現(xiàn)出樁徑減小沉降值增大的負(fù)相關(guān)。

圖8 不同樁徑下坑外地表沉降圖

運(yùn)用相同的方法同時(shí)也進(jìn)行了樁間距、樁長(zhǎng)在其它變量不變情況下的周?chē)两登闆r分析，結(jié)果如圖9和圖10所示。樁徑、間距保持設(shè)計(jì)尺寸，樁間距分別采用1.0m間距、1.2m間距、1.4m設(shè)計(jì)間距、1.6m間距從圖中可以看出圍護(hù)樁間距的變化幾乎并沒(méi)有影響到周?chē)乇沓两档臄?shù)值。樁徑和樁間距保持設(shè)計(jì)尺寸不變的同時(shí)樁長(zhǎng)分別采用20m、22m、25m周?chē)乇沓两禂?shù)值有著明顯的變化。通過(guò)圖表對(duì)比可以明顯得出樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)周?chē)乇沓两档拿舾行?，影響周?chē)馏w沉降的主次因素排序?yàn)闃堕L(zhǎng)、樁徑、樁間距。

圖9 不同樁長(zhǎng)下坑外地表沉降圖

圖10 不同樁間距下坑外地表沉降圖

4 結(jié)論

托于合肥地鐵五號(hào)線(xiàn)車(chē)站基坑工程，通過(guò)運(yùn)用Midas GTS NX軟件對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中以及不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的地表沉降進(jìn)行分析得到以下結(jié)論：

①該支護(hù)體系下基坑開(kāi)挖最大沉降數(shù)值為12.6mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定的一級(jí)安全等級(jí)地面最大沉降量≤0.15%H（H為基坑深度），影響范圍也符合安全等級(jí)規(guī)定，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是安全可靠的。

②樁徑，樁長(zhǎng)，樁間距，對(duì)基坑外地表沉降的影響主次因素結(jié)果中，樁長(zhǎng)的影響最大，樁徑其次，樁間距影響最小。在以后的施工設(shè)計(jì)中可以在安全的前提下優(yōu)先優(yōu)化樁長(zhǎng)。

③開(kāi)挖后的土體呈現(xiàn)出由周?chē)蚧拥撞恳苿?dòng)的趨勢(shì)，基坑底部存在隆起，施工過(guò)程中基坑周邊堆載會(huì)加劇隆起，引起基坑失穩(wěn)。

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