孫自強(qiáng),　曹廣勇,　程　樺

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

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合肥地鐵深基坑開挖對(duì)鄰近高速公路沉降的影響

孫自強(qiáng),曹廣勇,程樺

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院 安徽 合肥230601)

摘要：針對(duì)合肥地鐵深基坑開挖對(duì)鄰近高速公路沉降的影響，采用MidasGTS有限元數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行分析，建立了考慮高速公路及基坑施工過程的三維有限元模型，研究了鄰近高速公路在不同開挖階段的最大沉降變化以及不同開挖階段高速公路的路面沉降分布規(guī)律，研究表明：路面最大沉降位置始終在離基坑最近的一側(cè)路面，最終沉降量為7.77mm，對(duì)路面安全沒有造成影響；隨著開挖的進(jìn)行，沉降量和沉降影響范圍不斷增加，但增加速率越來越緩慢；研究所得到結(jié)論可用來指導(dǎo)未來的相似工程。

關(guān)鍵詞：深基坑；高速公路；數(shù)值模擬；Midas

0引言

深基坑施工過程中，會(huì)改變土體的原有地應(yīng)力場(chǎng)，引起土體的變形，特別是基坑周邊土體的變形對(duì)鄰近構(gòu)(建)筑物的危害最大，如果沒有有效的控制措施，可能使與基坑相鄰的構(gòu)(建)筑物或地下設(shè)施開裂，傾斜甚至倒塌，并發(fā)生人員傷亡，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響[1-3]。

Terzaghi和Peck等人最早提出了基坑開挖的理論分析方法，在20世紀(jì)40年代就對(duì)基坑開挖展開了研究，并且提出了理論計(jì)算的方法。至今為止，我們還是沿用的這一理論原理，隨著研究的不斷深入，研究人員也對(duì)其理論進(jìn)行了大量的改進(jìn)與修正。

Attwell等研究探討了基坑開挖引起的地表沉降規(guī)律以及地表沉降對(duì)鄰近構(gòu)筑物和地下管線的的影響。

潘久榮運(yùn)用FLAC3D軟件，通過對(duì)鄰近建筑物在周圍土體加固前、后基坑開挖不同次序的影響程度進(jìn)行對(duì)比模擬分析，總結(jié)出基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響規(guī)律。

本文以合肥地鐵深基坑為工程背景，利用有限元數(shù)值計(jì)算軟件MidasGTS分析研究基坑鄰近高速公路的絕對(duì)沉降和不均勻沉降，分析高速公路路面沉降的規(guī)律。

1工程實(shí)例

1.1　工程概況

該基坑為地鐵附屬風(fēng)井工程的地下部分，位于既有合肥繞城高速公路(50m寬)的北側(cè)，為地下二層結(jié)構(gòu)加部分三層結(jié)構(gòu)，施工時(shí)占用部分路基，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑為1.2m和1m的鉆孔灌注樁。沿豎向的支撐為第一層混凝土支撐,二到八層為鋼管支撐?；娱L邊74m，短邊13m，與高速公路的位置關(guān)系如圖1。

圖1基坑與高速公路的位置關(guān)系

1.2　工程地質(zhì)

場(chǎng)址范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)沖洪積粘土(Q4al+pl)；上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)粘土(膨脹土)；中更新統(tǒng)沖積層(Q2al)粘土；下伏基巖為第三系粉砂巖。地層參數(shù)及厚度如表1所示。

表1　土層參數(shù)

2數(shù)值模擬

2.1　土體模型的建立

該基坑為地下三層結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度為26.21m，基坑長邊為74m，短邊為13m，其中南側(cè)長邊臨近高速公路，高速公路寬50m，距離基坑最近距離為6.2m。因基坑的對(duì)稱性，所以沿長邊選取中間段10m部分建立模型，這樣既滿足了計(jì)算的準(zhǔn)確性，又能提高計(jì)算速度[6-7]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，一般基坑開挖的影響范圍為2到3倍的開挖深度[8-9]，故確立模型各邊尺寸如圖2所示，長160m，高60m，因沿基坑長邊取中間部分10m，故寬度取10m。

圖2土體模型

根據(jù)地質(zhì)資料，將土層分為回填土層(路堤)，粘土2,3,4層以及全風(fēng)化粉砂巖層和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層，本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb基坑以及基坑附近的網(wǎng)格劃分為1m的六面體網(wǎng)格，向四周不斷擴(kuò)展為5m的六面體網(wǎng)格，路堤網(wǎng)格加密。

2.2　支護(hù)結(jié)構(gòu)的建立及參數(shù)的選取

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2m和1m直徑的鉆孔灌注樁，基坑南側(cè)樁長45m，基坑北側(cè)樁長44m。豎向采用第一層混凝土支撐加七層鋼管支撐，第一層混凝土支撐采用800mm×1000mm的矩形截面混凝土支撐，鋼管支撐采用直徑為600mm，壁厚為16mm的鋼管支撐。為使支撐節(jié)點(diǎn)與土體耦合，其豎直間距化簡(jiǎn)為第一層混凝土支撐至第二層鋼支撐間距為4m，其余支撐豎直間距均為3m。

灌注樁以及第一層混凝土支撐均采用c30混凝土材料，各支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表2所示：

表2　支護(hù)材料參數(shù)

支護(hù)結(jié)構(gòu)布置如圖3所示，樁嵌入設(shè)計(jì)基底以下18到19m，第一層為混凝土支撐，第二層到第八層為鋼管支撐。

圖3支護(hù)結(jié)構(gòu)

2.3　定義施工階段

通過整理施工方案及設(shè)計(jì)資料可知，基坑每次開挖至支撐位置，超挖0.5m到1m后建立支撐，然后再進(jìn)行下一步開挖，據(jù)此，數(shù)值模擬的施工步驟如下：

(1)建立初始地應(yīng)力，將位移場(chǎng)清零；

(2)激活第一層混凝土支撐，開挖至4m；

(3)激活第二層鋼管支撐，開挖至7m；

(4)激活第三層鋼管支撐，開挖至10m；

(5)后續(xù)幾步均為激活一層支撐，再開挖3m，直至第八步開挖至坑底。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1　豎向位移云圖

由圖4至7可知，坑底隨開挖不斷隆起，符合工程實(shí)際。路面的最大沉降區(qū)域始終在基坑最近一側(cè)路面，隨著開挖的進(jìn)行，沉降范圍逐漸增大。

圖4開挖至4m

圖5開挖至10m

圖6開挖至16m

圖7開挖至基底

由圖8可知隨著開挖的進(jìn)行，開挖深度不斷增大，路面的最大沉降量也不斷增大。由最初的2.19mm增加到最終的7.77mm，每一步開挖后的沉降量見表3。

表3　路面最大沉降變化量

圖8不同開挖步驟的路面最大沉降量

可以看出，最大沉降量的變化量隨開挖的進(jìn)行是不斷減小的，由最初的-1.16mm的變化量發(fā)展到的-0.5mm的變化量。變化量不斷減小，表明開挖對(duì)路面沉降的影響越來越小。

3.2　路面沉降分析

圖9為不同開挖深度，路面沉降的分布情況。由圖可知，隨著開挖深度的增加，路面沉降的影響范圍不斷擴(kuò)大。開挖至4m深時(shí)的影響范圍為10.88m左右，開挖至7m深時(shí)為12.9m左右，開挖至16m深時(shí)，影響范圍已經(jīng)覆蓋全路面。但通過觀察可知影響范圍增加的越來越緩慢，最后趨于平緩。

圖9開挖至不同深度的路面沉降分布

沉降量沿著路面向遠(yuǎn)離基坑一側(cè)不斷減小。開挖至4m時(shí)，最大沉降量在基坑最近一側(cè)路面，大小為2.19mm，當(dāng)達(dá)到10.8m遠(yuǎn)時(shí)減小為0。開挖至基底時(shí)的最大沉降量為7.77mm，達(dá)到路面邊緣時(shí)的沉降量減小到1.13mm。根據(jù)沉降趨勢(shì)，可以看出，沉降曲線向遠(yuǎn)離基坑一側(cè)不斷減小分兩個(gè)階段，第一階段的曲率為增大趨勢(shì)，即沉降的減小比較急速，當(dāng)達(dá)到一定距離后的曲率為減小趨勢(shì)，表明沉降的減小越來越緩慢，最后趨于平緩。

從曲線上能夠看出，沉降的主要影響范圍為32m左右，再往遠(yuǎn)處發(fā)展，其沉降值可以忽略不計(jì)。

4總結(jié)

本文以合肥地鐵深基坑開挖為工程背景，采用數(shù)值模擬計(jì)算法(MidasGTS)研究了基坑開挖對(duì)臨近高速公路的影響，主要結(jié)論和建議如下：

(1)開挖至基底后路面的最大沉降量為7.77mm，離基坑最遠(yuǎn)端的路面沉降量為1.13mm。對(duì)高速公路安全使用沒有造成影響；

(2)基坑開挖引起的土體位移對(duì)臨近高速公路有一定的作用。路面的最大沉降區(qū)域始終在離基坑最近的一側(cè)路面，隨著開挖的進(jìn)行，路面的最大沉降量不斷增加，但增加速率不斷減小。

(3)隨著開挖的進(jìn)行，路面的沉降影響范圍不斷擴(kuò)大，開挖至4m深時(shí)的影響范圍為10.8m，開挖至13m深時(shí)的影響范圍為28.58mm，開挖至最后的沉降影響范圍覆蓋整個(gè)路面，但其主要影響范圍為32m左右，再往遠(yuǎn)處發(fā)展的沉降量可以忽略不計(jì)。

(4)在以后的深基坑開挖工程中，對(duì)于基坑鄰近多構(gòu)(建)筑物的情況，一定要做好監(jiān)測(cè)工作，離基坑較近一側(cè)的沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

參考文獻(xiàn)

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3趙延林,高全臣,衡朝陽. 基坑開挖對(duì)近鄰建筑物沉降影響的數(shù)值模擬. 黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào) 2005(3):106-109.

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9李云安,張鴻昌,糜崇蓉. 深基坑工程變形控制及其影響因素的有限元分析. 水文地質(zhì)工程地質(zhì) 2001(4):1-4.

Influence of Deep Excavation to The Surface of Adjacent Motorway

SUN Ziqiang, CAO Guangyong

(Anhui Jianzhu Universuty, Civil Engineering, Anhui Hefei, 230601)

Abstract:For the deep foundation pit excavation of subway Hefei effect on adjacent highway settlement, by using the finite element method software-MidasGTS, a three-dimensional finite element model considering the motorway as well as the deep excavation process is established to analyze the influence of the deep excavation on adjacent motorway’s subsidence. The maximum subsidence of the adjacent motorway and the distribution of the subsidence in different steps are studied. The motorway’s maximum subsidence is at the edge of the foundation pit and the maximum subsidence is at 7.77mm were found. It doesn’t damage the motorway’s security. The amount and distribution’ size of subsidence gradually increases as the excavation process, but the speed of the increases gradually reduce. These conclusions can be used to guide the future similar projects.

Key words:Deep Excavation； Motorway； Numerical simulation； Midas

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)02-030-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150206

作者簡(jiǎn)介：孫自強(qiáng)(1987-),男,碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)計(jì)算理論與應(yīng)用。

收稿日期：2014-10-16