原文奎 黨海軍 郭慶昊 王體廣

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,102600,北京∥第一作者,高級(jí)工程師)

軟土性質(zhì)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

原文奎 黨海軍 郭慶昊 王體廣

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,102600,北京∥第一作者,高級(jí)工程師)

結(jié)合某地鐵車站基坑工程,對(duì)軟土地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了三維有限元分析計(jì)算,并就軟土性質(zhì)對(duì)基坑變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了靈敏程度分析和討論。土體的塑性應(yīng)變基本上集中在基坑底部開(kāi)挖面附近;土的內(nèi)摩擦角的增加或減小對(duì)基坑的最大變形影響很大。

軟土地基;基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu);三維有限元分析

First-author's addressChina Railway Fifth Survey and Design Institute Ltd.,102600,Beijing,China

軟土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的分析和計(jì)算是基坑研究的重要方面,不但可用來(lái)指導(dǎo)基坑的設(shè)計(jì)和開(kāi)挖,而且由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與坑周土體的變形密切相關(guān),還可用來(lái)指導(dǎo)基坑周邊環(huán)境的維護(hù)。

在傳統(tǒng)的基坑工程中,對(duì)于基坑受力變形的計(jì)算,多采用等代梁法、m法等近似方法。近年來(lái),考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體共同作用的二維平面應(yīng)變有限元法被廣泛采用。但是對(duì)于大型結(jié)構(gòu),由于其所在場(chǎng)地和結(jié)構(gòu)本身的空間作用顯著,同時(shí)由于基坑的開(kāi)挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工都是逐步進(jìn)行的,故基坑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)是一個(gè)隨時(shí)間而不斷變化的時(shí)變系統(tǒng)。本文結(jié)合某地鐵車站軟土深基坑工程實(shí)例,進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。

1 工程簡(jiǎn)介

某地鐵車站位于浙江省錢塘江西岸的沖海積平原,頂板覆土厚度為3 m。車站基坑長(zhǎng)453 m。該車站標(biāo)準(zhǔn)段的基坑開(kāi)挖寬度為 19.5 m、深度為16.09 m;車站端部考慮盾構(gòu)工作需要,進(jìn)行了加寬、加深,端頭井段基坑開(kāi)挖寬度為23.7 m,深度為19.5 m。車站采用坑內(nèi)降水、明挖順作法施工。

工程場(chǎng)地屬于典型的軟弱土層地區(qū),工程條件差,車站北側(cè)為2號(hào)渠,南側(cè)靠近住宅小區(qū)。基坑周邊管線眾多,場(chǎng)地環(huán)境相對(duì)復(fù)雜,對(duì)基坑結(jié)構(gòu)安全度及基坑變形控制的要求嚴(yán)格。根據(jù)基坑開(kāi)挖深度及破壞后果的嚴(yán)重性,依據(jù)DB33/T 1001—2003《浙江省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,基坑安全等級(jí)為一級(jí)。為保證工程本身安全及控制地表沉降,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的基坑支護(hù)體系(見(jiàn)圖1、圖2)。其標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用600 mm厚地下連續(xù)墻,端頭井段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻;支撐采用φ609 mm鋼管內(nèi)支撐方案,標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)置4道水平支撐加一道換撐,端頭井段設(shè)置5道水平支撐加一道換撐,各道支撐的水平間距一般為3 m。由于該基坑工程尺寸大、支護(hù)結(jié)構(gòu)空間作用明顯、施工周期長(zhǎng)、環(huán)境較復(fù)雜,為確保工程安全,對(duì)該基坑進(jìn)行了圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體共同作用的施工全過(guò)程的三維彈塑性有限元分析。

車站底部位于粉砂夾砂質(zhì)粉土層、砂質(zhì)粉土層。各層土體分布及土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。地下水主要有淺層粉(砂)性土層中的潛水和局部的砂土層中的弱承壓水。潛水位埋深一般在1.2～4.0 m之間;深部承壓水位于場(chǎng)地內(nèi)局部分布的中砂層中,分布深度為40 m以下,為弱承壓水。潛水位和承壓水位隨季節(jié)、氣候等原因而有所變化,變化幅度在1.0 m左右。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置局部放大圖

表1 車站土層分布及土的力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算模型及具體實(shí)施步驟

計(jì)算軟件采用巖土專用有限元計(jì)算分析軟件Midas/gts。土體采用3D實(shí)體單元,本構(gòu)模型選用摩爾-庫(kù)侖理想彈塑性模型;鋼筋混凝土地下連續(xù)墻采用板單元;鋼管內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧?假設(shè)為線彈性材料?；娱_(kāi)挖后的三維模型見(jiàn)圖3、圖4。為真實(shí)模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體之間的共同作用及施工對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,使用了Midas/gts軟件的施工階段分析功能。定義施工階段過(guò)程中可以通過(guò)激活與鈍化單元、邊界、荷載等方式來(lái)模擬土體開(kāi)挖和支護(hù)施工。所謂鈍化單元就是將該單元的剛度和質(zhì)量變?yōu)?,相當(dāng)于該單元不再發(fā)揮作用;而激活單元就是使剛度和質(zhì)量為0的單元恢復(fù)到設(shè)定的剛度和質(zhì)量?？紤]場(chǎng)地地下水在雨季或其他不利因素的影響,坑外計(jì)算水位取地面以下1.5 m。

具體實(shí)施步驟為:①建立整個(gè)場(chǎng)地的模型;②施加重力荷載;③鈍化連續(xù)墻處所在土體單元,激活連續(xù)墻單元,并在連續(xù)墻兩側(cè)施加水壓力,模擬連續(xù)墻施工完成后情況;④逐層鈍化各層土體單元并激活相應(yīng)的內(nèi)支撐單元,模擬開(kāi)挖和支撐施工;⑤重復(fù)步驟4直至開(kāi)挖到坑底。

圖3 單元網(wǎng)格及支撐

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到土體在開(kāi)挖過(guò)程中的塑性應(yīng)變分布如圖5所示。土體的塑性應(yīng)變基本都集中在基坑底部開(kāi)挖面附近,主要是因?yàn)橥馏w開(kāi)挖卸載以及地下連續(xù)墻側(cè)向變形后土體回彈及隆起而造成的;土體的塑性參數(shù)對(duì)基坑的變形影響也主要集中在開(kāi)挖底面附近。

圖5 土體塑性區(qū)分布圖

計(jì)算結(jié)果表明,每層土體開(kāi)挖結(jié)束后地下連續(xù)墻體水平位移最大值出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖底面附近。越靠近基坑四角,水平位移等值線越密集,梯度越大,空間作用越明顯;越遠(yuǎn)離基坑四角,空間作用越弱。

計(jì)算模擬邊挖邊撐的實(shí)際工況,得到普通段和盾構(gòu)井段地下連續(xù)墻變形隨開(kāi)挖過(guò)程的發(fā)展曲線如圖6、圖7所示。地下連續(xù)墻的最大水平位移為14 mm。一般來(lái)說(shuō),對(duì)有地下水的軟弱場(chǎng)地,由于土體的蠕變和流變特征,應(yīng)盡量加快內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的施工速度,提高內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)在整個(gè)側(cè)壓力作用下所分擔(dān)的比重,進(jìn)而減輕地下連續(xù)墻的變形和內(nèi)力,增強(qiáng)基坑的穩(wěn)定性。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖中地下連續(xù)墻的水平變形

圖7 盾構(gòu)段基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻的水平變形

4 土體參數(shù)對(duì)基坑變形靈敏程度的探討

考慮到基坑結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工周期長(zhǎng),部分軟土的力學(xué)參數(shù)可能測(cè)量不夠準(zhǔn)確,或在施工過(guò)程中土體參數(shù)發(fā)生了變化,因此對(duì)土體關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)進(jìn)行靈敏程度分析是非常必要的。

在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的計(jì)算中,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形影響最大的是土體參數(shù)?；幼畲笞冃问芡馏w壓縮模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ以及側(cè)壓力系數(shù)等參數(shù)的影響十分顯著。本次研究假設(shè)地下水位不變,僅對(duì)其中的c、φ值加以討論研究。通過(guò)對(duì)c、φ值增減 10%、20%、30%、40%、50%的計(jì)算分析,可以得出參數(shù)變化與基坑變形量的關(guān)系圖(見(jiàn)圖8)。

圖8 軟土的力學(xué)參數(shù) c、φ的變化與基坑變形量關(guān)系圖

當(dāng)將原參數(shù)c值增大50%,基坑的最大變形增加了5%左右;當(dāng)將原參數(shù)c值減小50%,基坑的最大變形也減少了5%左右。當(dāng)將原參數(shù) φ值增大50%,基坑的最大變形增加了140%左右;當(dāng)將原參數(shù)φ值減小50%,基坑的最大變形減少了30%左右。因此,在基坑變形的計(jì)算中,就c、φ值變化對(duì)基坑最大變形的影響而言,c值的影響比φ值的影響小。由此可以看出,φ值的增加和減小對(duì)基坑的最大變形影響很大。因此,在勘探、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中,對(duì)土層的情況,尤其是對(duì)土的力學(xué)參數(shù)的確定應(yīng)給予密切關(guān)注,使其盡量符合實(shí)際情況,特別是土層的φ值尤為關(guān)鍵。

當(dāng)將原參數(shù)c、φ值同時(shí)增大50%,基坑的最大變形增加了160%左右;當(dāng)將原參數(shù)c、φ值同時(shí)減小50%,基坑的最大變形減少了30%左右。

另外還需注意,如果減少側(cè)壓力系數(shù),降低了土體側(cè)壓力,則最大變形減少的幅度比側(cè)壓力降低的幅度還要大;反之亦然。

5 結(jié)語(yǔ)

從本文的計(jì)算分析結(jié)果可以看出,對(duì)于軟土地區(qū)復(fù)雜的基坑工程,土體的塑性應(yīng)變基本都集中在基坑底部開(kāi)挖面附近,土體的塑性參數(shù)對(duì)基坑的變形影響也主要集中在底部開(kāi)挖面附近。因此,在基坑土方開(kāi)挖前,提前一定的時(shí)間對(duì)基坑土方開(kāi)挖面及以下一定范圍內(nèi)采取降水措施將有利于土體的固結(jié)并改良土體參數(shù),可減少基坑土體開(kāi)挖卸載以及地下連續(xù)墻側(cè)向變形后土體回彈及隆起而造成的變形。

通過(guò)計(jì)算分析還表明,每層土體開(kāi)挖結(jié)束后地下連續(xù)墻墻體水平位移最大值出現(xiàn)在基坑底部開(kāi)挖面附近。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于有地下水的軟弱場(chǎng)地,由于土體的蠕變和流變特征,應(yīng)盡快施作內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系,提高內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)在整個(gè)側(cè)壓力作用下所分擔(dān)的比重,進(jìn)而減輕地下連續(xù)墻的變形和內(nèi)力,以增強(qiáng)基坑的穩(wěn)定性;可對(duì)基坑底部土體進(jìn)行加固或采用降水措施以提高基坑內(nèi)側(cè)的被動(dòng)土壓力。

從土體參數(shù)c、φ值的變化對(duì)基坑變形靈敏程度的分析可以看出,φ值的增加和減小對(duì)基坑的最大變形影響很大。也就是說(shuō),就土體參數(shù)c、φ值而言,φ值對(duì)基坑變形的靈敏程度更高。因此,在勘探、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中,土層參數(shù)要以原位試驗(yàn)為基礎(chǔ),并結(jié)合試驗(yàn)情況、地方經(jīng)驗(yàn)以及不同部位的實(shí)際情況來(lái)確定,特別是對(duì)土層 φ值的準(zhǔn)確確定尤為關(guān)鍵。施工過(guò)程中,施工單位應(yīng)密切和勘察設(shè)計(jì)單位溝通,及時(shí)反饋施工中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)施工。

[1]高文華,楊林德.軟土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的三維有限元分析[J].工程力學(xué),2000,17(2):134.

[2]宋立峰.軟土深基坑有支撐暴露變形研究[J].城市軌道交通研究,2008(7):31.

[3]劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[4]孫鈞.地下工程設(shè)計(jì)理論與實(shí)際[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1996.

Influence of Soft Soil on the Stability of Pit Enclosure Structure

Yuan Wenkui,Dang Haijun,Guo Qinghao,Wang Tiguang

Deformation of station pit foundation engineering and the stability of pit enclosure structure in soft soil are analyzed bases on one station's foundation engineering of an urban traffic project.A three-dimensional finite element analysis has been accomplished;meanwhile,the sensitivity analysis has been carried out on the effect of soft soil property on pit foundation's deformation and stability of enclosure structure.

soft ground;pit enclosure structure;three-dimensional finite element analysis

TU 437+.6

2009-03-04)