劉爭國 安剛建 羅支貴 蔡虹 羅彬 翟朝嬌

【摘要】基于淮安東高鐵站站前廣場大基坑，采用Midas軟件建立三維數(shù)值模型，計(jì)算了八種不同插入比工況下，富水地層深大基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、坑外地表沉降、立柱樁最大彎矩值與圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)地下水流速的變化規(guī)律。結(jié)果表明：基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移曲線在不同插入比工況下，總體呈現(xiàn)中間大、兩邊小的橫“山峰”形，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比大于2.1時，水平位移值變化開始趨于穩(wěn)定;基坑開挖對地表沉降影響較大的范圍是圍護(hù)結(jié)構(gòu)中間段往外5m到30m區(qū)域;插入比的增加可以減小止水帷幕外側(cè)地下水流速最大值，從而減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的滲流破壞。

【關(guān)鍵詞】插入比;富水地層;數(shù)值模擬;水平位移;地表沉降;地下水滲流

〔中圖分類號〕TU47〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號〕1674-3229（2021）04-0103-06

0 引言

隨著城市交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，越來越多的城市開始了高鐵站的建設(shè)，基坑工程往往是建設(shè)中不可或缺的部分，同時其也逐漸趨向于深基坑與大基坑。而深大基坑的施工通常面臨著更多的不確定因素。當(dāng)面對富水軟弱地層等不利影響因素時，深大基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和插入比的確定便尤為重要。許多學(xué)者對深大基坑展開了研究[1-3]。羅海燕等[4]通過利用FLAG 3D模擬軟件建立了太原二號地鐵站基坑模型，分析了基坑地表沉降、坑底隆起等規(guī)律;莊海洋等[5]分析了深軟場地深基坑開挖過程中基坑的結(jié)構(gòu)變形;侯新宇等[6]以蘇州地鐵換乘站坑中坑為基本模型，建立有限元模型，研究了外墻插入比對坑中坑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑土體變形的影響;高新南[7]以蘇州地鐵一號線某街支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，通過數(shù)值分析軟件對基坑支護(hù)進(jìn)行模擬，對插入比與基坑變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的關(guān)系進(jìn)行了分析研究;沃云舟[8]等通過有限元軟件Midas對合肥軌道交通4號線某站基坑建立模型，并結(jié)合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻和基坑周邊土體的受力與變形規(guī)律;向亮[9]對富水半成巖砂巖地層地鐵車站深基坑進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬分析;楊駿等[10]對軟土地區(qū)地鐵車站深基坑外土體位移進(jìn)行了分析。

目前對富水軟弱地層深大基坑的插入比研究較少。本文通過建立富水地層超大基坑三維模型，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同插入比工況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)自身水平位移、坑外土體沉降、立柱樁內(nèi)力與地下水滲流變化規(guī)律，為富水地層基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)插入比的選擇提供參考。

1 工程概況

工程為淮安高鐵東站站前廣場，項(xiàng)目位于水系豐富的淮安市，地層中含有豐富的地下水?；窗矕|站綜合客運(yùn)樞紐項(xiàng)目站前廣場地下空間開發(fā)工程基坑，工程結(jié)構(gòu)凈尺寸225m×256m（長×寬），基坑開挖深度15.9m，最深處約18.9m，支護(hù)周長約為1005m?；拥臇|側(cè)和北側(cè)均采用6m×49.2m（長×深）地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，兩側(cè)連接部分采用H型鋼接頭+高壓旋噴方式進(jìn)行施工;西側(cè)和南側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用425.6m×50m（長×深）TRD墻+圍護(hù)樁（Φ1150鉆孔灌注樁，共282根）。為保障基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在基坑內(nèi)部設(shè)置了2道環(huán)形混凝土支撐，采用484根格構(gòu)柱作為支撐柱。基坑組合支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖和組合支護(hù)結(jié)構(gòu)局部示意圖如圖1、圖2所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立及參數(shù)的確定

淮安東站地層由雜填土層、粉質(zhì)砂層、黏土層、粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土層、粉砂層、黏土層等6種土層構(gòu)成，各地層均假定為符合理想彈塑性特征的均質(zhì)連續(xù)體，采用莫爾一庫倫理想本構(gòu)模型，并按水平分布。根據(jù)淮安東站地理環(huán)境條件及地質(zhì)勘測報告，在地下50m左右為黏土地層，屬不透水層，模型深度設(shè)定為80m，即模型尺寸為X×Y×Z=450m×450m×80m，其中開挖尺寸為230m×230m×16m，基坑網(wǎng)格尺寸為5m×20m，如圖3、圖4所示，各地層物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算工況

淮安東站站前廣場基坑開挖深度15.9m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度為50m，本次以插入比2.1、圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入土地深度50m作為基準(zhǔn)模擬，分別設(shè)置插入比為0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4、2.7和3.0，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)人土深度30、35、40、45、50、55、60和65m作為對比分析目標(biāo)，通過有限元模型計(jì)算表2的八種工況。

2.3 插入比對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響

在基坑偏于安全情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移可作為判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的依據(jù)。通過分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對基坑圍護(hù)的影響規(guī)律來進(jìn)行施工優(yōu)化。圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往會側(cè)向發(fā)生水平位移。通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)為50m時，地連墻水平位移云圖，如圖5所示。

由圖5可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在每一面墻體的中間位置，并且在基坑開挖深度約三分之一處，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移越靠近坑角處，位移越小。通過對模擬計(jì)算結(jié)果提取，沿圖3黑色箭頭豎直方向提取地連墻水平位移值，得到不同插入比下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移變化曲線（圖6）和水平位移最大值曲線（圖7）。

由圖6可知，整體水平位移曲線呈現(xiàn)中間大、兩邊小的橫“山峰”形，八種插入比工況下，隨著離坑頂距離的增加，地連墻水平位移曲線先快速增大，當(dāng)達(dá)到最大值后，位移曲線開始下降，下降速度較增長段有所放緩，最大位移發(fā)生處約在基坑開挖深度三分之一處附近。當(dāng)插入比為0.9圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度30m）和1.2（圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度35m）時，最大位移發(fā)生在離坑頂3m處，當(dāng)插入比為1.5（圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度40m）時，最大位移發(fā)生在離坑頂4m處，當(dāng)插入比為1.8、2.1時，最大位移約發(fā)生在離坑頂距離5m處，當(dāng)插入比大于2.4時，最大位移發(fā)生在離坑頂約6m處，因此，隨著插入比的增加，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大位移發(fā)生處會稍稍下降。八種不同插入比情況下，地連墻頂部和開挖深度底部水平位移值相差較小，而最大值相差較大。

由圖7可知，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度的增加，最大水平位移也逐漸減小。當(dāng)?shù)剡B墻深度為30m時，最大水平位移約17.35mm，地連墻深度為50m時，最大水平位移約為8.10mm，減少位移約9.25mm;當(dāng)?shù)剡B墻深度由50m繼續(xù)增加到65m時，最大水平位移變化僅為1.5mm，減小幅度遠(yuǎn)小于地連墻深度由30m到50m減小的幅度。因此，當(dāng)插入比為2.1（圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度50m）時，是比較良好的選擇，而繼續(xù)增大插入比所減小的水平位移并不明顯，對實(shí)際工程影響不大。

2.4 插入比對基坑外地表沉降的影響

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)為50m時基坑周圍地表沉降等值線圖（圖8）。

由圖8可知，基坑外地表沉降總體呈現(xiàn)離基坑距離越遠(yuǎn)地表沉降越小的趨勢，當(dāng)離基坑距離大于100m時，沉降量已經(jīng)相當(dāng)小，不足1mm。圖中等值線顯示，地表最大沉降發(fā)生在距坑壁約10-20m范圍內(nèi)，在其他參數(shù)不變的情況下，計(jì)算八種工況的地表沉降，取圖中黑色箭頭指向，得到不同插入比下地表沉降曲線和沉降最大值變化曲線，分別如圖9、圖10所示。

由圖9可知，不同插入比下的地表沉降曲線類似“V”形曲線，即沉降值先增大，到達(dá)最大值后，減小速度開始相對緩慢。地表沉降隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度的增加而減小。當(dāng)插入深度為30-45m時，最大沉降值大約在距離基坑10m處，當(dāng)插入深度為45-50m時，最大沉降值大約在距離基坑15m處，最大值發(fā)生處有所下移;基坑開挖對地表沉降影響較大的范圍是5m到30m（約0.3-2倍基坑開挖深度）;當(dāng)距離基坑邊緣大于45m時，地表沉降值已經(jīng)很小，即地表沉降基本不受基坑開挖的影響。

由圖10可知，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)由30m（插入比0.9）增大到65m（插入比3.0）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。當(dāng)插入比由0.9變?yōu)?.1時，減小沉降量約16.5mm，曲線的斜率最大，即地表沉降減小最為顯著。當(dāng)插入比大于2.1以后，曲線斜率較小，趨于平緩，地表土體的最大沉降值減小并不顯著。因此在實(shí)際施工過程中，不可以盲目地通過提高插入比來減小地表沉降，應(yīng)該在安全的情況下減少資源浪費(fèi)。

2.5 插入比對立柱樁彎矩的影響

基坑開挖過程中，立柱樁對基坑的穩(wěn)定也起著重要的作用，通過計(jì)算得到立柱樁的彎矩云圖（圖11）。

由圖11可知，靠近基坑邊緣位置的立柱樁所受彎矩要大于離基坑邊緣距離遠(yuǎn)的立柱樁。因此，實(shí)際工程中應(yīng)適當(dāng)加大基坑邊緣立柱樁的抗彎鋼筋的配置。圖12給出了基坑開挖過程中不同插入比工況下立柱樁的樁身最大彎矩隨插入比的變化情況。

由圖12可知，樁體受到的最大正彎矩值與最大負(fù)彎矩的絕對值隨著插入比的增加先稍快增加，插入比大于2.1時，增加幅度開始減緩。彎矩的增加使得樁體更容易受到破壞，淮安東站站前廣場大基坑的樁體實(shí)際埋深為50m，這使得樁體底部受到被動土壓力產(chǎn)生的彎矩也較大。因此，實(shí)際工程中并不是插入比越大越好，還要考慮結(jié)構(gòu)所受的內(nèi)力影響。

2.6 插入比對地下水流速特征的影響

地下水對圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定也是不可忽視的因素，對于本工程所處位置的富水軟弱地層的特性，應(yīng)當(dāng)做好圍護(hù)結(jié)構(gòu)的防水工作，來減少地下水的滲流和破壞。本工程的止水帷幕為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算，得到50m止水帷幕深度下地下水流速矢量圖。依次取30m、35m、40m、45m、50m、55m、60m和65m八種工況，得到不同止水帷幕深度下地下水流速矢量圖（圖13）。

由圖13可知，止水帷幕有效地阻擋了地下水的流動，止水帷幕底部地下水的流速要大于其他部位的流速。這是由于地下水在止水帷幕上部區(qū)域受到阻攔，無法滲流，當(dāng)水流動到止水帷幕底部區(qū)域時，地下水可以從止水帷幕底部流走，因此止水帷幕底部積累的地下水流速要大于其他部位流速。

沿止水帷幕靠近外側(cè)土一邊，每隔5m深度，選取一個點(diǎn)，得到八種插入比工況下地下水流速變化曲線（圖14）與不同深度止水帷幕外側(cè)地下水流速最大值變化曲線（圖15）。

根據(jù)圖14可知，地下水隨著土層深度的增大，流速也增大。當(dāng)止水帷幕插入比較小時，地下水流速的變化速度較快，止水帷幕插入比增大時，地下水的流速增加幅度較小。這是由于地下水滲流的過程中，由于受到止水帷幕的阻擋，地下水在止水帷幕外側(cè)主要向下滲流，滲流過程中受到土層的阻攔，并且會流失部分的水，因此水的流速會隨止水帷幕深度的增加而減緩。

由圖15可以看出，止水帷幕外側(cè)地下水流速最大值隨著止水帷幕深度的增加而減小。當(dāng)止水帷幕深度由30m增加到50m時，流速最大值減小幅度較大，約減小了7×10-7ms-1，說明此段止水帷幕深度的變化對地下水的流速影響較大;當(dāng)止水帷幕由45m增加到50m時，此段曲線斜率已經(jīng)小于30m到45m段曲線的斜率，說明此段止水帷幕對地下水流速的影響已經(jīng)慢慢減弱;當(dāng)止水帷幕深度大于50m時，止水帷幕外側(cè)地下水流速最大值變化已經(jīng)趨于平穩(wěn)，變化已經(jīng)很小，這是由于當(dāng)止水帷幕深度大于50m時，此時可以進(jìn)入地層中較厚的黏土層，減緩了地下水最大流速的繼續(xù)增加。分析可知當(dāng)止水帷幕深度大于50m時，止水帷幕深度的增加對地下水流速的影響已經(jīng)很小，繼續(xù)增大止水帷幕深度，并不能帶來明顯的效果。

3 結(jié)論

本文通過MIDAS GTS NX有限元軟件模擬出基坑的三維模型，分析了不同插入比下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、坑外地表沉降、立柱樁彎矩最大值和止水帷幕外側(cè)地下水流速的特征，為本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深度選擇及插入比對基坑的影響提供參考，得到以下結(jié)論。

（1）插入比的增加會減少基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，整體水平位移曲線呈現(xiàn)中間大、兩邊小的橫“山峰”形，最大位移發(fā)生處約在基坑開挖深度三分之一處附近，而且當(dāng)插入比達(dá)到2.1時，繼續(xù)增加插入比，對基坑變形的影響也將逐漸減小，可以忽略不計(jì)。因此工程中考慮施工成本等因素，不需要選擇過大的插入比。

（2）基坑開挖對地表沉降影響較大的范圍是5-30m（大約0.3-2倍基坑開挖深度）。當(dāng)距離基坑邊緣大于45m時，地表沉降值已經(jīng)很小，即地表沉降基本不受基坑開挖的影響。插入比的增加會減小基坑外土體的沉降，當(dāng)插入比大于2.1以后，地表沉降最大值曲線圖開始趨于平緩，地表最大沉降減小并不顯著。因此在實(shí)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）樁體所受最大正彎矩值隨插入比的增加而增加，最大負(fù)彎矩的絕對值隨插入比的增加而增加，因此工程中過大的插入比會增大柱子所受到的彎矩。

（4）插入比的增大可以有效減小地下水的流速，降低滲流破壞。地下水流速最大值也隨著插入比的增加而減小，當(dāng)插入比大于2.1時，流速最大值趨于穩(wěn)定，因此繼續(xù)增大插入比，并不能帶來明顯的效果。

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[收稿日期]2021-09-20

[基金項(xiàng)目]安徽省教育廳高校自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2019A0742）;企業(yè)委托科研項(xiàng)目（HYB2020039）

[作者簡介]劉爭國（1996-），男，安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生，研究方向：地下結(jié)構(gòu)。