福州某地鐵車輛出入線段基坑數(shù)值模擬

黃劍，李偉，王秀秀

(1.中交四航局第五工程有限公司，福州 350000；2.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福州 350002)

1 引言

隨著大量的住宅、地鐵、立交橋等工程的建設(shè)，出現(xiàn)了大量的基坑工程。為了保證基坑工程的安全，除了做好勘察設(shè)計(jì)工作外，基坑施工過程中，基坑監(jiān)測的重要作用也不可忽略。這主要是基坑工程在施工過程中可能會遇見各種不可預(yù)見事件，會嚴(yán)重影響基坑安全，而基坑監(jiān)測能夠?qū)颖旧砑爸苓叚h(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋，指導(dǎo)施工工作的順利開展[1]。

目前，已有大量文獻(xiàn)對基坑監(jiān)測進(jìn)行了闡述。例如，時綠艷等[2]結(jié)合淮安市一地下室基坑工程論述了監(jiān)測技術(shù)在該工程中的應(yīng)用；文建鵬等[3]以珠海某混凝土內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)深基坑為依托，介紹了濱海平原場地淤泥質(zhì)土層條件下基坑監(jiān)測的應(yīng)用；張建龍等[4]利用監(jiān)測技術(shù)指導(dǎo)了廣佛線地鐵朝安站D出口基坑信息化施工；唐維東[5]利用監(jiān)測技術(shù)對一出入段線盾構(gòu)隧道的拱頂沉降進(jìn)行了實(shí)測，保證了施工的安全有序進(jìn)行。但是針對地鐵出入線段基坑工程的研究較少，本文依托福州某地鐵車輛出入線段基坑工程，采用強(qiáng)度折減法計(jì)算基坑的整體穩(wěn)定性，并數(shù)值模擬地表沉降和圍護(hù)樁位移分布規(guī)律，為施工工作提供指導(dǎo)。

2 工程概況

福州某地鐵車輛段出入線段基坑工程為研究內(nèi)容，車輛段長度約250 m，寬29.5～31.0 m，深度6.85～8.55 m，基坑安全等級為二級，采用直徑800 mm 灌注樁支護(hù)，間距1.0 m，樁長約19.4 m，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖1 m；排樁后設(shè)置三軸攪拌樁止水帷幕，長度22 m。設(shè)置兩道900 mm×1000 mm 混凝土支撐，間距9 m。由于基坑跨度較大，內(nèi)支撐中部設(shè)置中立柱。圖1為車輛段引出線某一典型基坑支護(hù)剖面圖。該基坑影響范圍內(nèi)，場地地層從上到下分布有6 層，分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、(含泥）中細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r(砂土狀）、中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r。

3 基坑數(shù)值模擬

采用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行該基坑的整體穩(wěn)定性、地表沉降和樁體位移進(jìn)行數(shù)值分析。圖2是該基坑剖面二維平面應(yīng)變模型及網(wǎng)格劃分。由于該基坑是對稱結(jié)構(gòu)，故建立基坑一半的模型?；訉挒?5 m，深7.4 m，為了消除邊界效應(yīng)，模型寬度取值為60 m，高26 m；整體模型采用CPE4 單元模擬；土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，排樁、三軸攪拌樁和混凝土水平支撐本構(gòu)采用彈性材料。邊界條件設(shè)置：模型左側(cè)限制水平位移，模型底部限制水平和豎向位移，模型右側(cè)采用對稱邊界條件；載荷未考慮外荷載，僅考慮重力荷載。由于基坑工程開挖時，表層雜填土被挖去，故本模型未考慮雜填土的影響。表1為模型計(jì)算參數(shù)取值。

表1 模型計(jì)算參數(shù)取值

3.1 基坑安全系數(shù)計(jì)算

基坑整體穩(wěn)定性采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算。強(qiáng)度折減法是通過土體強(qiáng)度參數(shù)的降低來實(shí)現(xiàn)對失穩(wěn)情況的模擬。其基本原理是[6，7]：將土體的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 的正切值tanφ 折減一個系數(shù)后，作為一組新的土體參數(shù)代入，判斷土體是否達(dá)到極限破壞狀態(tài)，反復(fù)進(jìn)行，當(dāng)土體達(dá)到極限平衡時，其強(qiáng)度參數(shù)的折減倍數(shù)，就是基坑的穩(wěn)定安全系數(shù)值。具體公式如式(1）和式(2）：

式中，cm和φm是強(qiáng)度參數(shù)c 和φ 折減FV倍之后的黏聚力和內(nèi)摩擦角；FV為折減系數(shù)。

在ABAQUS 中，首先需定義一個場變量，即折減系數(shù)FV，之后定義材料參數(shù)隨場變量變化的模型參數(shù)，在計(jì)算時需選擇輸出FV。采用強(qiáng)度折減法判別基坑達(dá)到臨界失穩(wěn)的標(biāo)準(zhǔn)有3 個，分別為數(shù)值計(jì)算不收斂、特征部位的位移拐點(diǎn)和形成連續(xù)貫通的塑性區(qū)作為判別標(biāo)準(zhǔn)[8]。本文依據(jù)文獻(xiàn)[7]的思路，選擇數(shù)值計(jì)算不收斂作為判別依據(jù)。圖3為計(jì)算不收斂時整體模型的折減系數(shù)分布云圖。從圖3中可知，基坑的安全系數(shù)達(dá)到2.136，大于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.35 安全系數(shù)。說明本基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的。

3.2 地表沉降模擬

圖4為有限元模型豎向位移等值云，從圖4中可以看出基坑地表土體有沉降，且距離坑壁越遠(yuǎn)沉降值越小，距坑壁最遠(yuǎn)端的沉降值基本為零，反映出邊界效應(yīng)對該模型基本不產(chǎn)生影響，坑底有向上隆起的位移，這主要是基坑開挖卸載，應(yīng)力釋放，引起力不平衡導(dǎo)致的。提取圖4中所示路徑地表沉降數(shù)值，繪制距離與地表沉降關(guān)系曲線，如圖5所示，從圖5可知，地表沉降呈勺子形，數(shù)值模擬結(jié)果最大值為19.54 mm，這主要是基坑開挖引起坑底向上隆起，導(dǎo)致排樁和三軸攪拌樁側(cè)土體在摩擦力作用下，有向上隆起，而稍遠(yuǎn)基坑兩側(cè)土體則向下沉降。與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[8]得到的規(guī)律一致。

3.3 圍護(hù)樁位移

圖6為計(jì)算不收斂時圍護(hù)樁的水平位移U1和豎向位移U2云圖。從圖6中可知，圍護(hù)樁水平位移和豎向位移最大值分別為48.11 mm 和74.1 mm，該數(shù)值是土體參數(shù)進(jìn)行折減后，土體強(qiáng)度降低引起的計(jì)算得到的。

圖7為樁體沿深度的水平位移曲線。從圖7可知，土體參數(shù)未折減情況下，樁體水平位移最大值出現(xiàn)在樁頂，為11.29 mm，小于監(jiān)測控制值±40 mm。折減后，土體強(qiáng)度降低，樁體發(fā)生較大的水平位移。土體中含水量越大土體整體強(qiáng)度越低[9]，因此，在施工過程中要嚴(yán)格對水的控制，除了對水位的監(jiān)控外，也要及時排除地表水以防止水向土體內(nèi)部的滲透，降低土體強(qiáng)度，影響基坑安全。

4 結(jié)論

通過有限元強(qiáng)度折減法，計(jì)算了基坑的整體穩(wěn)定性、地表沉降和圍護(hù)樁位移，其中安全系數(shù)為2.136，表明該基坑設(shè)計(jì)是滿足基坑安全施工要求的。又對實(shí)測結(jié)果地表沉降、圍護(hù)樁樁頂水平和豎向位移的分析，同樣表明本基坑工程處于安全狀態(tài)。