羅海燕,楊雙鎖,2,王 磊,徐 婧

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室,重慶 400030)

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地連墻插入比對深基坑穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬研究

羅海燕1,楊雙鎖1,2,王 磊1,徐 婧1

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室,重慶 400030)

在施工方法和支護(hù)參數(shù)一定的條件下,只改變地連墻的插入比,運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,以地表沉降、地連墻水平位移以及坑底隆起為指標(biāo),對太原市地鐵2號線中心街西站基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，地連墻插入比的改變對地表沉降、坑底隆起以及地連墻的最大水平位移均有一定的影響；隨著插入比的增大,地表沉降值和地連墻水平位移量降低,坑底隆起量增加;當(dāng)?shù)剡B墻插入比設(shè)置為0.7～0.8時,地表沉降減小顯著,坑底隆起改變較小,地連墻的水平位移明顯減小,基坑穩(wěn)定性良好。研究結(jié)論可為黏土及粉土地區(qū)深基坑工程地連墻插入比提供依據(jù)。

地鐵車站;深基坑穩(wěn)定性;數(shù)值模擬;地連墻;插入比

基坑工程廣泛應(yīng)用于各種建設(shè)工程,例如地鐵車站施工、房建、基礎(chǔ)建設(shè)等方面,基坑施工過程中可供周邊建筑物產(chǎn)生變形。因此,在基坑開挖過程中應(yīng)高度重視其穩(wěn)定性。

基坑穩(wěn)定性評價因素主要包括地表沉降、地連墻的水平位移，以及坑底隆起等3個方面。金雪蓮、錢秋瑩[1-2]等人研究出影響基坑穩(wěn)定性因素包括：地質(zhì)與環(huán)境條件，如土層物理力學(xué)性質(zhì)、地下水分布等;設(shè)計條件，如基坑形狀、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等;施工條件，如施工順序方法、降水等。地連墻對于不同力學(xué)特性的土體都具有較好的適應(yīng)性,作為主體結(jié)構(gòu)又具有較高的穩(wěn)定性,因此在基坑施工過程中被廣泛的引用。

筆者以太原盆地汾河沖積平原區(qū)土體為研究背景,在保證其他施工方法和支護(hù)參數(shù)不變的條件下,只改變地連墻的插入比,以地表沉降、地連墻水平位移以及坑底隆起為指標(biāo)，對基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[3]。通過數(shù)值模擬，計算出最優(yōu)的地連墻插入比取值,并將其與太原市地鐵2號中心街實際基坑工程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比的常用取值進(jìn)行對比,從而評價數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,確定黏土及粉土地區(qū)的地連墻最優(yōu)插入比,為后續(xù)相似基坑工程施工提供依據(jù)。

1 理論分析

基坑工程施工前,采用地連墻支護(hù),墻內(nèi)外兩側(cè)水土壓力平衡,地連墻則處于穩(wěn)定狀態(tài)。由于基坑開挖的卸荷作用,坑內(nèi)地層原有應(yīng)力場遭到破壞,導(dǎo)致應(yīng)力重新分布,形成新的地應(yīng)力場,具體表現(xiàn)為基坑底部土體隆起。隨著坑內(nèi)土體開挖,坑底土體回彈,墻內(nèi)土體原有的致密穩(wěn)定狀態(tài)趨于松散,并且強(qiáng)度降低；地連墻兩側(cè)形成水土壓力差,在墻內(nèi)土體卸荷和墻外土體的擠壓作用下,產(chǎn)生水平變形[4]。同時,地連墻外側(cè)土體的原巖應(yīng)力遭到破壞,導(dǎo)致墻后土體產(chǎn)生豎向位移即地表沉降。兩者變形示意圖如圖1。

基坑工程中,地連墻的插入比是坑底以下地連墻的插入深度h1與基坑開挖深度h的比值。在基坑開挖深度一定的條件下,插入比的調(diào)整即是地連墻入土深度的改變。地連墻的入土深度加深,坑內(nèi)未開挖土體受到地連墻影響范圍擴(kuò)大,坑底隆起量增大。在增大插入比的過程中,墻體內(nèi)外兩側(cè)地層的水土壓力差距縮小,從而地連墻的水平位移及墻外土體豎向變形呈減小的趨勢。

圖1 地連墻與墻外土體變形示意圖Fig.1 Schematic diagram of the earth wall and soil deformation

2 工程背景及計算參數(shù)

太原地鐵二號線中心街西站作為本次試驗主體,車站處于中心西街和長治路的交叉位置,并且沿南北方向布設(shè)。車站開挖深度17 m,各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

基坑周圍采用800 mm厚地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu),并布設(shè)三道內(nèi)支撐,包含斜撐和對撐。第一道內(nèi)支撐采用800 mm×1 000 mm混凝土支撐,第二、三道支撐采用鋼管支撐。各支撐參數(shù)見表2所示。

表2 內(nèi)支撐參數(shù)表

文獻(xiàn)[5]指出,支護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比的取值范圍通常是0.6～1.2,因此,在其他施工條件和支護(hù)參數(shù)一定的條件下,筆者重點研究地連墻插入比分別為0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1和1.2條件下的基坑穩(wěn)定性。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型建立

實體模型和結(jié)構(gòu)單元是模型建立的兩部分。其中,實體模型部分包括土體和地下連續(xù)墻;結(jié)構(gòu)單元部分包括混凝土支撐和鋼管支撐。

依據(jù)對稱性原理,計劃選取1/2的實際工程尺寸進(jìn)行分析；但考慮基坑實際長度過大,根據(jù)以往的經(jīng)驗選取30 m長基坑分析?；娱_挖深度為17 m,寬度是20 m。土體的局部開挖會明顯影響到局部的有限范圍,影響范圍大約是開挖空間跨度的3～5倍。同時,在基坑開挖過程中,對地表沉降的主要影響區(qū)域是開挖深度的2倍,而次要影響區(qū)是開挖深度的2～4倍[6]。所以本次選取基坑外圍60 m土體,建立模型尺寸為140 m×90 m×30 m,總共有40 716個單元,44 550個節(jié)點。模型如圖2所示。

圖2 FLAC3D計算模型Fig.2 FLAC3D model

3.2 數(shù)值模擬過程

本次模擬基坑開挖深度17 m,在施工過程中采用邊開挖邊支護(hù)的原則,將開挖施工分為4步。

工況一:開挖1 m,即開挖至16 m處;

工況二:開挖6 m,即開挖至10 m處,澆筑第一道鋼筋混凝土支撐;

工況三:開挖6 m,即開挖至4 m處,布設(shè)第二道鋼管內(nèi)支撐;

工況四:開挖4 m,即開挖至坑底,布設(shè)第三道鋼管內(nèi)支撐。

計算的本構(gòu)模型選取庫倫-摩爾模型[7]。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

依據(jù)安全等級劃分,基坑開挖深度17 m,屬于一級基坑,規(guī)范中對于一級基坑的變形監(jiān)控值見表3所示。

表3 基坑變形控制值

3.3.1 數(shù)值模擬計算結(jié)果

在其他施工方法和支護(hù)參數(shù)不變的條件下,只調(diào)整地連墻的插入比,模擬計算結(jié)果如表4所示。

表4 數(shù)值模擬計算結(jié)果

3.3.2 地表沉降特征分析

基坑開挖過程中,隨著坑內(nèi)土體的挖除,地連墻外側(cè)土體的原巖應(yīng)力遭到破壞,導(dǎo)致地表沉降[8]，如圖3所示。圖中截取yoz平面,分析右側(cè)地表沉降。

圖3 地表沉降等值線圖Fig.3 Contour map of the surface subsidence

地連墻外側(cè)地表沉降呈現(xiàn)“U型”曲線,即沉降隨著土體到坑壁距離的增大逐漸減??；且不同深度土層的豎向位移不同,呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。圖中等值線顯示，地表最大沉降發(fā)生在距坑壁有一定距離的土體處。在其他施工方法和支護(hù)參數(shù)一定的條件下,只改變地連墻的插入比,地表沉降曲線如圖4所示。

圖4 地表沉降曲線圖Fig.4 Surface subsidence curve

地表沉降規(guī)范監(jiān)控值是30 mm。圖4中,當(dāng)插入比設(shè)置成0.4,0.5或0.6時,地表最大沉降超出規(guī)范監(jiān)控值；地連墻插入比是0.7時,剛好達(dá)到規(guī)范監(jiān)控值。由圖得出,地表沉降曲線呈“U型”,最大沉降出現(xiàn)在距坑壁10～20 m的范圍內(nèi)?；娱_挖對地表影響較大的范圍是10～35 m,即0.5h～2h。當(dāng)?shù)娇颖诰嚯x超過40 m(2.5h)之后,地表沉降較小,即地表沉降基本不受基坑開挖的影響。當(dāng)?shù)剡B墻的插入比改變的時候,地表最大沉降也隨之變化,其變化趨勢如圖5所示。

圖5 地表最大沉降與地連墻插入比關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the maximum surface settlement and insertion ratio

當(dāng)插入比由0.4增大到1.2的過程中,地連墻外側(cè)土體最大沉降量整體呈現(xiàn)減小的趨勢。圖5中,當(dāng)插入比由0.7變?yōu)?.8時,曲線的斜率最大,即地表沉降減小最為顯著。當(dāng)插入比增加到0.9以后,地表最大沉降減小并不顯著。因此在實際工程施工中，不能一味地通過改變插入比來控制地表沉降,應(yīng)該避免不必要的資源浪費(fèi)。

3.3.3 坑底隆起特征分析

坑底隆起是因為基坑開挖卸荷作用,隨著開挖深度的增大,坑底回彈越大[9]。以地連墻插入比為0.5分析,完成工況一之后,坑底隆起量為1.52 cm;工況二施工,即開挖6 m,坑底回彈量是13.21 cm;施工工況三,坑底隆起量增大為19.35 cm;最后開挖4 m,施工工況四,即完成基坑開挖,坑底隆起量最大21.32 cm。

圖6 坑底隆起等值線圖Fig.6 Contour map of heave

基坑開挖完成后,沿yoz平面截取基坑開挖剖面繪制坑底隆起等值線圖如圖6所示。圖中坑底隆起曲線呈現(xiàn)“U型”,隆起過程屬于塑性隆起[10]。并且回彈量隨著土層深度的增大而減小,即坑底表面的隆起最大。

計算過程中,插入比設(shè)計成0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1和1.2?？拥鬃畲舐∑鹆侩S插入比變化的曲線如圖7所示。圖中,坑底隆起變化較不顯著,波動幅度較小。隨著地連墻插入比的變大,坑底隆起量最小是17.48 cm,最大26.98 cm。盡管坑底隆起改變較小,但依然呈現(xiàn)增大的趨勢。地連墻插入比由0.4增大至0.6時,坑底隆起改變最顯著,從17.48 cm增大到24.24 cm。

圖7 坑底最大隆起與地連墻插入比的關(guān)系圖Fig.7 Relationship between the maximum bottom heave and insertion ratio

3.3.4 地連墻水平位移特征分析

基坑工程施工前,采用800 mm厚的地連墻支護(hù),地連墻處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著坑內(nèi)土體開挖,地連墻在墻內(nèi)土體卸荷，在墻外土體的擠壓作用下向內(nèi)凹陷。其變形形態(tài)圖如圖8所示。

圖8 地連墻水平變形形態(tài)圖Fig.8 Level deformation of the earth wall

本次模擬基坑開挖深度17 m,按照安全等級劃分屬于一級基坑。根據(jù)規(guī)范，一級基坑的地連墻墻體最大水平位移檢控值是5 cm。模擬結(jié)果中,當(dāng)?shù)剡B墻插入比分別是0.4,0.5,0.6和0.7時,地連墻的最大水平位移均超出了規(guī)范監(jiān)控值。而后地連墻水平位隨著插入比的增大逐漸減小,兩者間的關(guān)系曲線如圖9所示,并且計算結(jié)果均控制在了規(guī)范值內(nèi)。

圖9 地連墻最大水平位移與插入比的關(guān)系圖Fig.9 Relationship between the maximum horizontal displacement and insertion ratio

圖9中,當(dāng)插入比從0.4調(diào)整到0.6時,地連墻的最大水平位移改變不大,從65.06 mm減小到63.12 mm。插入比由0.6增大到1.0的過程,直線的斜率基本不變,并且在整個調(diào)整過程中斜率最大,即地連墻最大水平位移減小較明顯。當(dāng)插入比增大到1.0以后,地連墻的水平位移改變不大。模擬結(jié)論與現(xiàn)有基坑工程維護(hù)結(jié)構(gòu)插入比集中在0.7～0.9的工程實際基本一致。

4 結(jié)論

在深基坑的施工過程中,當(dāng)基坑變形超出監(jiān)控變形值時,不僅影響鄰近地下管線的穩(wěn)態(tài),更可能引起鄰近建筑物的傾斜或者開裂。為了維持基坑的穩(wěn)定,控制基坑的變形,在其他施工方法和支護(hù)參數(shù)不變,只改變地連墻插入比的條件下,筆者以地表沉降量、坑底隆起以及地連墻水平位移為指標(biāo)，對太原市地鐵2號線中心街西站基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。研究結(jié)果如下。

1) 墻外土體地表沉降隨著地連墻插入比的變大逐漸減小,但也有一定的極限。當(dāng)插入比增大到0.9以后,地表沉降較不顯著；當(dāng)插入比從0.7增大到0.8時,地表沉降最多。因此,在深基坑施工設(shè)計中,也不能一味地通過增大地連墻的插入比來控制地表沉降。

2) 隨著地連墻插入比的增大,基坑內(nèi)土體隆起也變大,但是改變幅度較小。當(dāng)插入比由0.4增加到0.6時,坑內(nèi)土體隆起量改變最多。

3) 地連墻墻體的最大水平位移隨著插入比的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。當(dāng)插入比增大到1.0以后,地連墻水平位移減小緩慢；插入比從0.6增大到0.7時,地連墻的水平位移減小最為明顯。

地連墻插入比的改變對地表沉降、坑底隆起以及地連墻的最大水平位移均有一定的影響。隨著插入比的增大,地表最大沉降減小;坑底最大隆起增大;地連墻最大水平位移減小。綜合考慮,當(dāng)?shù)剡B墻插入比設(shè)置為0.7～0.8的時候,地表沉降減小顯著;坑底隆起改變較小;地連墻的水平位移明顯減小,并且三者均在規(guī)范所允許的范圍之內(nèi)。因此,在黏土和粉土地區(qū)深基坑施工設(shè)計時,建議地連墻的插入比設(shè)置在0.7～0.8的范圍內(nèi),這樣既能保證較好的支護(hù)效果,控制基坑變形,又能節(jié)約資源,避免不必要的人力和物力的浪費(fèi)。

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(編輯：龐富祥)

Numerical Simulation Study on the Influence of the Earth Wall Insertion Ratio on the Stability of Deep Foundation Pit

LUO Haiyan1,YANG Shuangsuo1,2,WANG Lei1,XU Jing1

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

In the condition of construction method and support parameters remaining consistent, the insertion ratio of the wall was changed only.The numerical simulation software, FLAC3D,was used to analyze the stability of the foundation pit of Taiyuan City Subway Line No. 2 Center Street West station.The land subsidence, even the horizontal displacement of the wall and bottom heave were considered as indexes.The results show that: The wall insertion ratio has a certain effect on the surface subsidence, uplift and even the wall of the maximum horizontal displacement.With increasing insertion ratio, the maximum surface settlement and the maximum horizontal displacement decrease;the bottom uplift increases.When wall insertion is 0.7～0.8, ground surface settlement decreases significantly,heave almost keeps unchangee,and the horizontal displacement of the wall is significantly reduced,which play a significant roll in maintaining the stability of the foundation pit.Therefore,this research it can provide evidence of insertion ratio for deep foundation pit engineering in clay and silt soil areas.

subway station;deep foundation pit;stability analysis numerical simulation;earch wall ;insertion ratio

1007-9432(2016)04-0455-05

2015-11-16

國家自然科學(xué)基金資助項目：涵蓋峰后大變形過程的巷道圍巖與支護(hù)平衡規(guī)律及控制機(jī)理研究(51274145); 重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室訪問學(xué)者基金資助項目

羅海燕(1992-)，女，湖北荊州人，碩士生，主要從事地下工程與巖土力學(xué)方面的研究,(E-mail)1274451387@qq.com

楊雙鎖，博士，教授,主要從事采礦工程以及巖土工程方面的研究，(E-mail)shuangsuoyang@163.com

TU455

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.005