席培勝，錢　坤，林　鍵，王　興

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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某地鐵站基坑開挖支護(hù)樁水平位移分析

席培勝，錢坤，林鍵，王興

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

摘要：本文以合肥地鐵一號(hào)線青陽路站基坑工程為背景，利用MIDAS GTS NX有限元軟件選取基坑典型控制截面進(jìn)行二維建模，分析了對(duì)稱與非對(duì)稱兩種堆載下支護(hù)樁水平位移隨開挖深度的變化規(guī)律，對(duì)比了不同挖深下兩種荷載情況圍護(hù)樁最大水平位移值及其發(fā)生位置。結(jié)果表明，基坑兩側(cè)堆載的形式對(duì)支護(hù)樁的水平位移有明顯影響；非對(duì)稱堆載作用下支護(hù)樁水平位移呈明顯不對(duì)稱性，堆載大的一側(cè)水平位移值較大且發(fā)生位置較淺。本文可為相關(guān)基坑工程的設(shè)計(jì)開挖提供參考借鑒。具有一定的科技應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：有限元;圍護(hù)樁;MIDAS;水平位移

0引言

隨著我國(guó)地鐵建設(shè)的快速發(fā)展,地鐵車站深基坑開挖的安全及其對(duì)周邊環(huán)境的影響問題越來越引起人們的重視。在復(fù)雜條件下進(jìn)行深基坑開挖和地下結(jié)構(gòu)的施工難度更大，基坑開挖卸載會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平變形,較大的水平變形會(huì)影響結(jié)構(gòu)和環(huán)境安全，必須得到有效控制。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移是判別基坑安全的重要指標(biāo),地質(zhì)條件、開挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式是影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的三個(gè)重要因素。因此在確定支護(hù)方案時(shí)需根據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，以確定方案的合理性和安全性。蘆森[1]以彈性地基梁法研究了分層開挖和逐級(jí)加撐對(duì)地鐵深基坑的變形影響；Whittle(1993)等[2-6]學(xué)者采用不同的單元?jiǎng)澐?、土的本?gòu)模型以及邊界條件等對(duì)深基坑的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析,得到了不同的本構(gòu)模型、邊界條件以及工況模擬對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響；張書玉[7]以某緊鄰高速公路偏壓基坑為例研究了動(dòng)荷載作用下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；石鈺峰[8]等人以緊鄰偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力測(cè)試分析了列車動(dòng)載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。

本文對(duì)偏壓荷載下基坑的開挖進(jìn)行模擬，分析偏壓荷載下基坑圍護(hù)樁水平位移的變化規(guī)律。

1工程概況

合肥青陽路站基坑形狀近似為矩形，取地鐵基坑標(biāo)準(zhǔn)段南北剖面作為研究對(duì)象，在基坑南側(cè)有一小區(qū)建筑對(duì)基坑形成偏載?；涌v向全長(zhǎng)為167.8m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18.3m，基坑開挖深度為19.38m,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用直徑為0.8m的鉆孔灌注樁，貫入深度為24.8m?；硬捎盟牡乐?，第一道為C35混凝土支撐，截面尺寸為，余下三道均采Φ609鋼管支撐，外徑為609mm。支撐軸線標(biāo)高分別是-1.040m、-5.434m、-8.538m、-13.038m(見圖1)。車站采用明挖順筑方法施工。

圖1標(biāo)準(zhǔn)段基坑剖面圖

工程地質(zhì)條件：

車站開挖影響范圍內(nèi)地基土為第四紀(jì)松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層。地質(zhì)情況自上而下表述如下：

(1)人工填筑土：灰黃色、褐黃色，主要為素填粘性土，可塑～硬塑狀，稍經(jīng)壓實(shí)。局部見砂及碎石塊，厚度為2.4m。

(2)可塑狀黏土：灰黃色，黃褐色，可塑狀，土質(zhì)較純，韌性中等，干強(qiáng)度高，分布于人工填筑土層之下，厚度為4.1m

(3)硬塑狀黏土：褐灰、褐黃色，硬塑狀，含氧化鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，局部含高嶺土，韌性中等，干強(qiáng)度高，切面光滑，具弱至中等膨脹性，厚度為5.0m。

(4)全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖：磚紅色，全風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，但尚可辨認(rèn)，膠結(jié)程度差，局部可見鈣質(zhì)膠結(jié)，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，巖芯多呈土柱狀，易鉆進(jìn)，遇水易軟化，厚度為2.7m。

(5)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖：磚紅色，強(qiáng)風(fēng)化，原巖結(jié)構(gòu)大部分已破壞，泥質(zhì)膠結(jié)，局部含鈣質(zhì)，巖體多風(fēng)化明顯，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，巖芯呈半巖半土狀，厚度為4.0m。

(6)中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖：磚紅色，中等風(fēng)化，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，局部含鈣質(zhì)，中厚層狀，風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面平緩，巖質(zhì)較軟，錘擊聲啞，敲擊易碎，各土層的計(jì)算參數(shù)如表1。

表1　土層計(jì)算參數(shù)

2有限元模型的建立

MIDAS GTX NX是一款針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基等各種實(shí)際工程的準(zhǔn)確建模與分析。基坑開挖過程的模擬利用有限元軟件的激活鈍化單元模擬，通過分步激活荷載和支撐以及鈍化基坑土體單元，模擬各道支撐和土體開挖的全過程，根據(jù)不同的施工階段定義來模擬基坑開挖的“順作法”、“逆作法”等開挖方式。

2.1模型尺寸

假定基坑開挖分析為二維平面應(yīng)變問題，有限元模型尺寸根據(jù)基坑和鄰近建筑物的實(shí)際情況共同建模。一般模型尺寸在水平方向取大于3倍的基坑開挖深度，豎直邊界尺寸取50m。

2.2材料定義

根據(jù)勘察報(bào)告數(shù)據(jù)分別定義每層土體，土體的本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型。用梁?jiǎn)卧M圍護(hù)樁，用桁架模擬四道支撐，第一道支撐屬性定義為C35混凝土，后三道支撐屬性定義為 Φ609鋼管支撐。南北側(cè)兩根圍護(hù)樁屬性定義為C35混凝土樁。

2.3荷載定義

邊界條件：表面邊界取自由邊界，兩側(cè)邊界約束水平位移，底部邊界約束豎向位移。

靜力荷載：除了設(shè)置自重外，施加兩種周邊荷載分別計(jì)算，一種采用兩邊對(duì)稱 20m的均布荷載20Kpa；另一種采用不均衡荷載，北側(cè)為20kPa南側(cè)6m范圍內(nèi)為20kPa，6m到26m設(shè)置60kPa。

2.4網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分根據(jù)土層厚度尺寸劃分，采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸控制在1m,根據(jù)土層來劃分開挖面,兩種荷載分步如圖2。

圖2有限元計(jì)算模型

2.5具體計(jì)算工況

初始應(yīng)力場(chǎng)：激活所有土體以及各種約束和土體自重。

工況1：激活所有土體和周邊超載，以及各種約束和土體自重，并激活2根基坑圍護(hù)樁。并位移清零。

工況2：基坑內(nèi)開挖第一層土以及第一道混凝土支撐，開挖深度至-2.4m。

工況3：基坑內(nèi)開挖第二層土以及第二道鋼支撐，開挖深度至-6.5m。

工況4：基坑內(nèi)開挖第三層土以及第三道鋼支撐，開挖深度至-11.5m。

工況5：基坑內(nèi)開挖第四層土以及第四道鋼支撐，內(nèi)坑開挖深度至-14.2m。

工況6：基坑內(nèi)開挖至基底，開挖深度-19.38m。

3數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1對(duì)稱荷載下樁體水平位移

由于荷載對(duì)稱，經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算出的兩側(cè)圍護(hù)樁水平位移是對(duì)稱的,如圖3所示。

圖3對(duì)稱荷載樁體水平位移

(1)在工況1下，由于在此工況中打入2根圍護(hù)樁，因土體并未開挖所以兩根樁水平位移均接近為0。

(2)從工況1至工況6下可以看出，在基坑開挖初期未設(shè)置支撐情況下，基坑最大位移發(fā)生在基坑頂部，隨著開挖深度加大和支撐設(shè)立，最大位移發(fā)生位置點(diǎn)逐漸下移。

(3)在工況2下，由于開挖深度較淺，又有混凝土支撐的作用，最大水平位移發(fā)生在H=-7.52m處，為-4.82mm。

(4)在工況3到工況6個(gè)工況下，整體水平位移往基坑內(nèi)偏移，樁頂水平位移均為-1mm左右，最大位移均發(fā)生H=-8.5m處，水平變形最大為工況6的-5.92mm。在開挖深度大于-8.5時(shí)，水平位移隨著開挖深度的增長(zhǎng)而減小，在H=-18m處，由于基坑開挖到坑底，所以所有曲線均在0點(diǎn)左右。

(5)在工況3至工況6下，隨著開挖深度逐漸增大，最大位移均發(fā)生在H=-8.5m處，雖逐漸增大，但并不明顯，增長(zhǎng)率僅為5%。

3.2偏載下樁體水平位移

偏壓荷載下經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算得到北側(cè)支護(hù)樁、南側(cè)支護(hù)樁的水平位移大小及變化曲線如圖4所示。

圖4偏壓荷載樁體水平位移

由圖4(a)可見：

(1)在工況1到工況6下，北側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移發(fā)生在樁頂處為-8.94mm，由于支撐的作用，樁頂位移隨著開挖深度的增大反而向坑外發(fā)展。

(2)在工況2到工況6下，基坑內(nèi)最大水平位移在H=9.5m處，為工況3的5.2mm。

由圖4(b)可見：

(1)在工況1到工況6下，南側(cè)圍護(hù)樁頂水平位移隨著開挖深度增大而增大，由0增加到-6.52mm。最大位移發(fā)生在H=-7.5m處，最大值為工況6的-9.62mm，當(dāng)開挖深度大于-7.52m時(shí)，水平變形隨著開挖深度增加而減小并在19m處為0。

(2)在工況2到工況6下，南側(cè)支護(hù)樁最大水平位移由工況2的-4.72mm增加到工況6的-9.61mm，由于南側(cè)有偏壓荷載，基坑整體向基坑內(nèi)偏移。

由圖4可見：

(1)由于基坑南側(cè)荷載偏大，南側(cè)圍護(hù)樁位移往基坑內(nèi)偏移，而北側(cè)圍護(hù)樁位移由于支撐的原因往基坑外偏移，基坑整體往北側(cè)偏移。

(2)在工況2到工況6下，南側(cè)水平位移隨著開挖深度增加而增大，最大位移達(dá)到工況6(H=-7.5m)-9.62mm；而北側(cè)圍護(hù)樁由于內(nèi)支撐和南側(cè)水平位移的影響，基坑內(nèi)水平位移隨著開挖深度增大而減。

(3)由表2可知，樁頂水平位移隨著基坑開挖深度增大而增大，北側(cè)最大水平位移達(dá)到了-8.94mm，南側(cè)也達(dá)到了-8.78mm?？梢钥闯觯捎谥蔚淖饔?，兩側(cè)樁位移偏移方向是一致的，均向北偏移，最終偏移量大致相同，但北側(cè)圍護(hù)樁位移變化率較大，工況1至工況6最大位移變化率達(dá)到了552%。

表2　樁頂水平位移一覽表(mm)

3.3對(duì)稱荷載和偏壓荷載樁體水平位移對(duì)比分析

(1)在工況2到工況6情況下，在快開挖到坑底(H=19m)時(shí)候，無論是對(duì)稱荷載還是偏壓荷載都至0點(diǎn)附近。

(2)在工況3到工況6下，偏壓荷載下的南側(cè)圍護(hù)樁位移曲線和對(duì)稱荷載下南側(cè)圍護(hù)樁水平位移曲線變化趨勢(shì)大致一致，但是偏壓荷載下，水平位移變化較對(duì)稱荷載更大且明顯如表3，對(duì)稱荷載下最大水平位移處變化率僅有5.2%，而偏壓荷載最大水平位移處變化率達(dá)到了48%。

表3　兩種荷載下右側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移處位移變化表(mm)

(3)由圖3(a)和圖4(a)相比較下，對(duì)稱荷載作用下，北側(cè)圍護(hù)樁水平位移偏移趨勢(shì)是向基坑內(nèi)偏移；而偏壓荷載下，由于支撐的作用，隨著開挖深度增加，北側(cè)水平位移是向基坑外偏移。導(dǎo)致樁頂位移不斷向坑外增加，而坑內(nèi)最大水平位移不斷的減小的趨勢(shì)。

4結(jié)論與建議

本文主要對(duì)合肥青陽路站基坑工程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過改變基坑兩側(cè)堆載形式分析了不同挖深下支護(hù)樁的水平位移變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)稱荷載下兩側(cè)圍護(hù)樁樁體水平位移曲線呈對(duì)稱趨勢(shì)，最大位移發(fā)生位置和最大位移值均一致，并在同一位置(H=-19m)時(shí)水平位移減小為0。

(2)當(dāng)開挖較淺時(shí), 偏壓荷載下左側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移發(fā)生在開挖面以下;當(dāng)開挖深度較深時(shí),由于南側(cè)偏載的影響,樁頂最大水平位置越來越大，使得北側(cè)圍護(hù)樁向基坑外偏移。

(3)偏壓荷載下南側(cè)圍護(hù)樁水平位移隨著開挖深度增加而增大，位移變化趨勢(shì)基本一致，樁頂位移不斷增加，最大位移均發(fā)生在H=-7.5m處，整體向基坑內(nèi)偏移，而使內(nèi)支撐受較大軸壓力，導(dǎo)致北側(cè)圍護(hù)樁頂處向基坑外偏移。

(4)偏壓作用下,基坑圍護(hù)樁變形異于對(duì)稱荷載條件下的變形，有建筑物一側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形大于沒有建筑物一側(cè)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了向低荷載一側(cè)的整體偏移。

參考文獻(xiàn)

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Analysis of Foundation Pit Retaining Pile Horizontal
Displacement of Subway Station

XI Peisheng, QIAN Kun, LIN Jian, Wang Xing

(School of Civil Eegineering,Anhui Jianzhu University Hefei 230601)

Abstract:In this paper, based on the foundation pit engineering of Qingyang Road Station of Hefei Metro Line 1, using MIDAS GTS NX modeling two-dimensional, and analyzed the retaining piles under sym-metric and asymmetric horizontal displacement along with the change of the excavation depth, compared to two kinds of load maximum horizontal displacement of supporting pile and its position. The result show that on each side of the pit heap load forms have obvious influence on the horizontal displacement of retaining pile; asymmetric pile retaining piles under the action of horizontal displacement is obvious asymmetry, the displacement of pile side horizontal load value is large and shallow. It can provide a reference for the design of foundation pit engineering excavation. The result has a certain value of application of engineering and technology.

Key words:Finite element; retaining pile; MIDAS; the horizontal displacement

收稿日期：2015-06-08 2015-05-04

作者簡(jiǎn)介：席培勝(1969-)，男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)工程，地基處理及環(huán)境巖土工程。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150601

中圖分類號(hào)：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)06-001-05

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金(BK20151092)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(CXLX13_102)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(3205004907)