趙 平，王占棋

(1.銅陵學(xué)院 建筑工程學(xué)院，安徽 銅陵 244000； 2.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引 言

目前，地鐵工程建設(shè)日益增多，地鐵車站的建造難免需要開挖深基坑，深基坑工程的規(guī)模越來越大，地下空間已經(jīng)得到廣泛開發(fā)利用，因此，深入研究深基坑開挖引起的支護結(jié)構(gòu)受力特性對于基坑工程防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義[1].近年來，有不少學(xué)者對相關(guān)問題開展了多方面研究，并取得一些有益成果[2-3].模型試驗方面，王子郡等[4]通過開展二次開挖的基坑排樁支擋結(jié)構(gòu)模型試驗，研究了樁間距對組合支擋結(jié)構(gòu)承載特性的影響，結(jié)果表明，隨著新增支護樁樁間距的增加，既有支護樁的最大彎矩值增大；冉啟仁等[5]開展了基坑開挖對鄰近建筑樁基彎矩和變形影響的模型試驗，結(jié)果表明，隨著離開挖面距離的增大，樁身最大彎矩出現(xiàn)上移趨勢；慕煥東等[3]以洛陽火車站地鐵車站明挖基坑支護工程為背景，對基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移變化規(guī)律開展了模型試驗研究.現(xiàn)場監(jiān)測方面，王錦濤等[6]通過現(xiàn)場監(jiān)測等方法研究表明，支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖的影響下所受內(nèi)力以受壓為主；黃山景等[7]通過現(xiàn)場監(jiān)測方法對比分析了非對稱基坑在嚴(yán)重偏壓作用下的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)；張珂峰等[8]對地下連續(xù)墻基坑的支護結(jié)構(gòu)變形等的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行全面系統(tǒng)的分析.數(shù)值模擬方面，何平等[9]在ABAQUS中建立了平面豎向彈性地基梁法模型，研究了上海地區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力受不同強度參數(shù)的影響；康亞樂[10]采用FLAC3D軟件對地下連續(xù)墻與支撐支護體系方案進行了研究，并提出了優(yōu)化方案；楊琴等[11]利用MIDAS GTS軟件系統(tǒng)地研究了基坑兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)剛度不等與兩側(cè)荷載不等情況下基坑的變形規(guī)律.

綜上所述，當(dāng)前關(guān)于深基坑開挖引起的支護結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境影響取得了較豐富的研究成果.但在目前的研究中，大部分學(xué)者選用摩爾庫倫為土體的本構(gòu)模型，較少有學(xué)者采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型研究深基坑開挖引起的支護結(jié)構(gòu)受力影響，胡建林等[12]在進行深基坑變形數(shù)值分析時發(fā)現(xiàn)，使用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型進行基坑開挖方面的研究更具參考價值.現(xiàn)有研究表明，基坑工程具有很強的區(qū)域性[13]，數(shù)值模擬方法具有可以動態(tài)模擬基坑開挖與支護施工過程等優(yōu)點，且現(xiàn)場監(jiān)測可以對施工過程實施實時監(jiān)控和動態(tài)控制，對有效確保基坑開挖施工過程和基坑周圍既有建筑的安全有一定的作用[14].本研究在上述研究的基礎(chǔ)上，以合肥地鐵3號線某地鐵車站深基坑開挖工程為背景，基于修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，采用MIDAS/GTS對基坑開挖及支護全過程進行數(shù)值模擬，研究了深基坑開挖引起的支護結(jié)構(gòu)的受力特性，并將模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，驗證了數(shù)值模擬的可靠性，得到的結(jié)論可供類似工程參考借鑒.

1 工程概況

本研究對象為合肥地鐵3號線某地鐵車站深基坑開挖工程.基坑平面形狀為矩形，寬度(X方向)為18 m，開挖深度(Y方向)為16 m.基坑的支護結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐組成，其中，3道支撐均為圓管型鋼支撐，截面尺寸為D=609 mm，t=16 mm，內(nèi)支撐具體位置布置在距離地表以下0 m、4 m與10 m處，內(nèi)支撐水平間距均為5 m.地下連續(xù)墻為鋼筋混凝土墻，高度為24 m，其中嵌入土體深度為8 m，地連墻厚為1 000 mm.此外，地連墻彈性模量為3 000 000 kN/m2，泊松比為0.2，重度為28 kN/m3；鋼支撐彈性模量為215 000 000 kN/m2，泊松比為0.3，重度為78 kN/m3.基坑共分3次開挖，開挖深度依次為4 m、6 m與6 m.根據(jù)巖土工程勘察報告，簡化后的土層從上到下依次為人工填土(4 m)、可塑性黏土(6 m)、硬塑性黏土(6 m)、全風(fēng)化砂巖(10 m)、強風(fēng)化砂巖(10 m)與中風(fēng)化砂巖(24 m).土層力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 計算模型土層力學(xué)參數(shù)

2 建模與計算

2.1 基本假定

為了便于計算研究，數(shù)值模型設(shè)計有必要對實際情況進行一定簡化[13].本研究基本假設(shè)如下：由于基坑長度為504.85 m，寬度為18 m，呈窄長條形，分析計算簡化為平面問題；各層土體連續(xù)且均勻分布；不考慮地下水對圍護結(jié)構(gòu)變形的影響；地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐均為彈性體；同一種材料為均質(zhì)且各向同性.

2.2 建立模型

選取基坑的一個典型斷面作為計算斷面，使用MIDAS/GTS NX 建立2D基坑模型.該軟件在巖土工程中應(yīng)用較廣[15].根據(jù)圣維南原理，考慮工程實際情況，本研究建立的整體二維模型寬(X)和高(Y)分別為118 m和60 m，遠大于預(yù)計基坑開挖影響范圍.模型坐標(biāo)系按照圖1中所示.X軸正方向指向基坑寬，Y軸正方向鉛直向上,邊界約束條件參考文獻[16].此外，地下連續(xù)墻與土體在強度和剛度上存在較大差異，在外力作用下其界面有可能產(chǎn)生相對滑移或脫離[17].本次研究采用軟件自帶的庫倫摩擦界面單元體現(xiàn)地下連續(xù)墻與土體之間接觸面的特性.模型中法向剛度模量和剪切剛度模量取值分別為800 000 kN/m3和8 000 kN/m3.模擬時土體采用修正摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系，計算模型土層力學(xué)參數(shù)見表1.模型中土體為考慮平面應(yīng)變的2D面單元，地下連續(xù)墻與基坑內(nèi)支撐均采用1D梁單元，網(wǎng)格劃分情況如圖1所示，數(shù)值模型共計7 359個單元，7 328個節(jié)點.

圖1 二維有限元模型

2.3 模擬施工

數(shù)值模擬的基坑開挖過程與實際現(xiàn)場基坑開挖過程保持一致，施工工況具體內(nèi)容見表2.

表2 基坑開挖工況及具體內(nèi)容

3 結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1.1 基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)軸力的影響

圖2為基坑開挖過程中不同開挖工況引起的支護結(jié)構(gòu)軸力云圖.由圖可見，基坑開挖會使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸力，且支護結(jié)構(gòu)軸力對開挖深度較敏感，軸力隨著基坑開挖深度的改變而不斷變化.內(nèi)支撐為受軸力的主要構(gòu)件，地連墻在基坑開挖作用下也會產(chǎn)生軸力，但所受軸力相對于內(nèi)支撐較小，為了突出研究重點，本研究對基坑開挖過程對內(nèi)支撐軸力的影響進行具體分析.圖2(A)為開挖1引起的支護結(jié)構(gòu)軸力云圖，由圖可見，第一道內(nèi)支撐軸力大小約為-420.3 kN，該支撐受壓.圖2(B)為開挖2引起的支護結(jié)構(gòu)軸力云圖，由圖可見，第一道和第二道內(nèi)支撐軸力大小分別約為-264.6 kN和-1 041 kN，均為受壓構(gòu)件.第二道內(nèi)支撐所受的軸力遠大于第一道內(nèi)支撐所受軸力，約為其3.9倍.此外開挖2階段第一道內(nèi)支撐的軸力相較于開挖1階段大大減小，約為其0.6倍，此時，第一道內(nèi)支撐軸力隨開挖深度的增加而有減小趨勢.圖2(C)為開挖3引起的支護結(jié)構(gòu)軸力云圖，不難看出，第一道、第二道與第三道內(nèi)支撐軸力大小分別約為-5.2 kN、-698.4 kN、-2 085 kN，均為受壓構(gòu)件.從圖中還可以看出第一道內(nèi)支撐軸力隨著開挖深度的增加而不斷減小，且第二道內(nèi)支撐所受軸力也隨著開挖深度的增加而不斷減小，規(guī)律類似.這主要是因為，隨著基坑開挖深度的增加，內(nèi)支撐數(shù)量也在逐漸增加，新增加的內(nèi)支撐分擔(dān)了部分由上一道支撐所承受的壓力，進而表現(xiàn)為上一道內(nèi)支撐所受軸力減小，這也說明了本次研究的深基坑開挖工程的支護體系設(shè)計合理，能有效抑制基坑開挖帶來的不良影響.此結(jié)論與何平等[9]在研究上海地區(qū)不同強度參數(shù)對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響時得出的結(jié)論一致.綜上所述，基坑開挖使得內(nèi)支撐成為主要受壓力構(gòu)件，此結(jié)論與王錦濤等[6]在研究車站深基坑變形規(guī)律與穩(wěn)定性分析中得出的結(jié)論一致.此外，內(nèi)支撐軸力對開挖深度較敏感，軸力隨著基坑開挖深度的改變而改變，基坑開挖完成后，內(nèi)支撐的最大軸力約為-2 085 kN，出現(xiàn)在第三道內(nèi)支撐的位置.因此，在深基坑設(shè)計和施工過程中要密切關(guān)注開挖引起的內(nèi)支撐軸力變化情況，尤其是開挖3時支護的第三道內(nèi)支撐的軸力變化情況.且由于內(nèi)支撐受壓，故應(yīng)根據(jù)具體情況選擇抗壓強度較好的材料進行內(nèi)支撐的制作安裝，來減小基坑開挖帶來的不良影響.另外，第一道內(nèi)支撐和第二道內(nèi)支撐的軸力隨基坑開挖深度的增加不斷減小這一特征也要引起重視.在基坑設(shè)計和施工時，可以根據(jù)內(nèi)支撐受軸力變化的特點，合理設(shè)計內(nèi)支撐的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，從而在保證安全的同時，取得更好的經(jīng)濟效益.

圖2 支護結(jié)構(gòu)軸力云圖

3.1.2 基坑開挖對支護結(jié)構(gòu)彎矩的影響

圖3為基坑開挖過程引起的支護結(jié)構(gòu)彎矩云圖.由圖可見，基坑開挖會使得支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩，且支護結(jié)構(gòu)彎矩對開挖深度較敏感，彎矩隨著基坑開挖深度的改變而改變.地連墻為受彎的主要構(gòu)件，內(nèi)支撐在基坑開挖情況下也會產(chǎn)生彎矩內(nèi)力，但相較于地連墻，其所受彎矩相對較小，為了突出研究重點，本文對基坑開挖過程對地連墻彎矩的影響進行具體分析.圖3(A)為開挖1引起的支護結(jié)構(gòu)彎矩云圖，由圖可見，地連墻最大彎矩值約為184.3 kN·m，出現(xiàn)在第一道內(nèi)支撐和開挖面之間的位置，此時，地連墻內(nèi)側(cè)為主要受拉側(cè).圖3(B)為開挖2引起的支護結(jié)構(gòu)彎矩云圖，由圖可見，地連墻最大彎矩值約為389.3 kN·m，出現(xiàn)在第二道內(nèi)支撐和開挖面之間的位置，此時，地連墻內(nèi)側(cè)為主要受拉側(cè).圖3(C)為開挖3引起的支護結(jié)構(gòu)彎矩云圖，不難看出，地連墻最大彎矩值約為498.1 kN·m，出現(xiàn)在第三道內(nèi)支撐和開挖面之間的位置，此時，地連墻內(nèi)側(cè)為主要受拉側(cè).綜上所述，基坑開挖使得地連墻成為主要受彎構(gòu)件，地連墻彎矩對開挖深度較敏感，彎矩值隨著基坑開挖深度的改變而改變，彎矩的最大值隨著開挖深度的增加而有不斷下移的趨勢.基坑開挖完成后，地連墻的最大彎矩約為498.1 kN·m，出現(xiàn)在第三道內(nèi)支撐和開挖面之間的位置.此外，觀察比較還可以發(fā)現(xiàn)，地連墻主要受拉側(cè)為內(nèi)側(cè)(朝向基坑側(cè))，且不同開挖工況下，最后開挖工況產(chǎn)生的彎矩最大.此結(jié)論與何平等[9]在研究上海地區(qū)不同強度參數(shù)對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響時得出的結(jié)論一致.

由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，開挖2時引起的地連墻位于第一道內(nèi)支撐和第二道內(nèi)支撐的位置產(chǎn)生的彎矩最大值約為162.8 kN·m，相較于開挖1有減小的趨勢.此外，開挖3時引起的地連墻位于第一道內(nèi)支撐和第二道內(nèi)支撐的位置與第二道內(nèi)支撐和第三道內(nèi)支撐的位置產(chǎn)生的彎矩最大值分別約為85.9 kN·m和206 kN·m，相較于開挖1和開挖2都有明顯的減小趨勢.因此，在深基坑設(shè)計和施工過程中要密切關(guān)注基坑開挖引起的地連墻彎矩變化情況.尤其是開挖3時第三道內(nèi)支撐和開挖面之間的位置的彎矩變化情況.且由于地連墻主要受拉側(cè)為基坑內(nèi)側(cè)，故應(yīng)在設(shè)計時對于地連墻彎曲變形要求較高的情況，可以適當(dāng)在受拉側(cè)有針對性地布置一些鋼筋來減小基坑開挖帶來的不良影響.另外，地連墻位于第一道內(nèi)支撐和第二道內(nèi)支撐的位置與第二道內(nèi)支撐和第三道內(nèi)支撐的位置產(chǎn)生的彎矩最大值隨著基坑開挖深度的增加而有減小趨勢這一特點也要引起設(shè)計和施工的關(guān)注，設(shè)計者可以利用這一特征更加合理地對地連墻的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，以此來達到提高經(jīng)濟效益的目的.

圖3 支護結(jié)構(gòu)彎矩云圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測對比分析

圖4為基坑開挖完成時右側(cè)地連墻彎矩模擬值與監(jiān)測結(jié)果對比.由圖4可見，數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果吻合度較高，驗證了本文所建立數(shù)值模型的可行性和模型參數(shù)取值的合理性與可靠性.表明本研究的數(shù)值結(jié)果對類似深基坑開挖設(shè)計與施工具有指導(dǎo)作用.此外，監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬變化規(guī)律一致，監(jiān)測最大值約為522.8 kN·m，數(shù)值模擬最大值約為498.1 kN·m，最大值出現(xiàn)的位置接近，都出現(xiàn)在第三道內(nèi)支撐和開挖面之間的位置.此外，由圖4還可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果稍大，兩者相差約為24.7 kN·m，相差較小.這可能是因為在數(shù)值模擬過程中進行了許多理想化的假設(shè)條件，實際基坑開挖過程中基坑附近難免會有施工機械的擾動與施工期間降雨，進而出現(xiàn)兩者之間的差異.施工中應(yīng)加強管理，盡量避免不必要的施工機械在基坑附近停留，同時施工材料堆放區(qū)應(yīng)遠離基坑開挖影響區(qū).

圖4 彎矩模擬值與監(jiān)測值對比圖

4 結(jié) 論

本研究依托合肥地鐵3號線某地鐵車站深基坑開挖工程，采用MIDAS/GTS對基坑開挖及支護全過程進行數(shù)值模擬，研究了深基坑開挖引起的支護結(jié)構(gòu)受力特性，并與實際監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)基坑開挖使得內(nèi)支撐成為主要受壓力構(gòu)件，內(nèi)支撐軸力對開挖深度較敏感，隨著開挖深度的增加而變化，開挖完成時最大軸力約為-2 085 kN，位于第三道內(nèi)支撐處.在深基坑設(shè)計和施工過程中要密切關(guān)注開挖3時支護的第三道內(nèi)支撐的軸力變化情況.同時內(nèi)支撐應(yīng)根據(jù)具體情況選擇抗壓強度較好的材料進行制作安裝，來減小基坑開挖帶來的不良影響.

2)基坑開挖引起的地連墻內(nèi)力主要是彎矩，地連墻彎矩對開挖深度較敏感，隨著開挖深度的增加而變化，開挖完成時最大彎矩約為498.1 kN·m，監(jiān)測值約為522.8 kN·m，都出現(xiàn)在第三道內(nèi)支撐和開挖面之間的位置.地連墻主要受拉側(cè)為基坑內(nèi)側(cè)，在設(shè)計和施工時對于地連墻彎曲變形要求較高的情況，可以適當(dāng)在受拉側(cè)有針對性地布置一些鋼筋來減小基坑開挖帶來的不良影響.

3)數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果吻合度較高，驗證了本研究所建立數(shù)值模型的可行性和可靠性.表明本文的數(shù)值模擬結(jié)果對類似深基坑設(shè)計和施工具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義.施工中應(yīng)加強管理，盡量避免不必要的施工機械在基坑附近停留，同時施工材料堆放區(qū)應(yīng)遠離基坑開挖影響區(qū).