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        主、被動(dòng)土壓區(qū)加固對(duì)地鐵深基坑變形影響的數(shù)值分析

        2012-11-27 03:20:42侯新宇劉松玉童立元
        關(guān)鍵詞:坑底側(cè)向被動(dòng)

        侯新宇,劉松玉,童立元

        (1.東南大學(xué)交通學(xué)院,南京 210096;2.江蘇廣播電視大學(xué)建工系,南京 210036)

        地鐵深基坑往往都處于城市重要區(qū)域,基坑開(kāi)挖深度大、地下結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,周?chē)姓缆访芗⒔ㄖ锪至?、地下市政管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜[1]。地下工程設(shè)計(jì)、施工等方面存在諸多不確定性因素,基坑開(kāi)挖變形給基坑自身及周邊環(huán)境的安全和穩(wěn)定帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。工程中常采用基坑土體預(yù)加固抑制基坑開(kāi)挖變形。

        陳興年[2]提出被動(dòng)區(qū)加固效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)加固設(shè)計(jì)方法;黃宏偉等[3]對(duì)被動(dòng)區(qū)加固提高坑內(nèi)土體性能的效果及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)進(jìn)行分析;魏洋等[4]等用有限元方法分析了被動(dòng)區(qū)加固深度、加固程度等對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀的影響;楊敏[5-6]等用彈塑性有限元法分別分析了超載軟土地區(qū)主動(dòng)區(qū)加固、被動(dòng)區(qū)加固對(duì)鄰近樁基側(cè)向變形影響;胡承軍等[7]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析坑外主動(dòng)區(qū)加固對(duì)基坑變形的影響。目前,針對(duì)主被動(dòng)區(qū)聯(lián)合加固對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀影響的研究并不多見(jiàn),分析主、被動(dòng)區(qū)加固對(duì)基坑變形的定量影響,能夠有效規(guī)避深基坑開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn),降低對(duì)周邊環(huán)境的影響,為類(lèi)似基坑工程的加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

        1 地鐵深基坑常見(jiàn)加固方式及機(jī)理

        地鐵深基坑常見(jiàn)的加固方式如表1所示。由于施工工藝和對(duì)消除環(huán)境影響要求的不同,常常采用深層攪拌樁對(duì)基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行開(kāi)挖前的大范圍預(yù)加固,以及車(chē)站端頭井加固;壓密注漿由于具備快速止水和補(bǔ)強(qiáng),保護(hù)周邊環(huán)境的效果,則多用于基坑外側(cè)的主動(dòng)區(qū)土體局部范圍的加固;旋噴樁加固可以用于地連墻接頭加固等。

        表1 地鐵深基坑常見(jiàn)加固方式[8]

        研究表明:基坑加固后形成的復(fù)合土體,其復(fù)合土性能參數(shù)、應(yīng)力路徑、力學(xué)特點(diǎn)等比不加固時(shí)更為復(fù)雜。被動(dòng)區(qū)加固能夠提高基坑內(nèi)底部土體的強(qiáng)度,增大土體的剛度,減小基坑土體變形;主動(dòng)區(qū)加固能夠提高相應(yīng)區(qū)域土體的承載力,降低坑外荷載對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響,是加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)的有效措施之一;基坑主、被動(dòng)區(qū)同時(shí)加固情況相對(duì)復(fù)雜,對(duì)其加固效果的定量分析有待進(jìn)一步研究。

        2 某地鐵車(chē)站工程概況

        某地鐵換乘站位于市區(qū)交通樞紐,場(chǎng)地范圍有河流經(jīng)過(guò)、地下管線(xiàn)密集復(fù)雜、周邊緊鄰重要文物建筑。場(chǎng)地以晚更新世(Q32-3)淺海相、海陸交相沉積的④-1層粉土、④-2層粉土~粉砂及⑤層粉質(zhì)黏土等為主導(dǎo),其中④-1、④-2層賦水性、透水性較好,含水量較豐富,微承壓水。埋深較大的⑦-2粉土~粉砂層富含承壓水。

        車(chē)站基坑呈十字形,本次施工的一號(hào)線(xiàn)東西長(zhǎng)286.3 m、標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度22.7 m,主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用1 m厚地下連續(xù)墻,墻體最大埋深34.5 m;支撐體系采用首道鋼筋混凝土(截面1.00 m×1.00 m)加4道φ609 mm(t=16 mm)鋼管支撐。

        坑底局部采用φ850 mm三軸攪拌樁加固。由于基坑外側(cè)臨近道路且有市政管線(xiàn)影響,在坑外局部進(jìn)行壓密注漿加固。為研究不同區(qū)域土體加固對(duì)基坑變形的影響,選取典型場(chǎng)地條件下,標(biāo)準(zhǔn)段上的3個(gè)斷面進(jìn)行分析比較,即:僅主動(dòng)區(qū)加固、僅被動(dòng)區(qū)加固、主被動(dòng)區(qū)都加固。

        3 基坑開(kāi)挖有限元模型

        假定基坑計(jì)算范圍寬度80 m,深度50 m。開(kāi)挖深度19 m,插入比1∶1。采用Plaxis有限元軟件中的HS(hardening-soil)模型進(jìn)行計(jì)算分析,HS模型是一個(gè)考慮土體剪脹性的塑性模型,能夠較為真實(shí)地模擬土體開(kāi)挖的變形特性,較其他模型更適用于該場(chǎng)地特點(diǎn),較為真實(shí)精準(zhǔn)反映實(shí)際工況。基坑土體采用三軸固結(jié)不排水剪的有效應(yīng)力指標(biāo),支撐和地連墻采用彈性材料模型??油獬d取20 kPa,距地連墻2 m。參數(shù)詳見(jiàn)表2~表4。典型斷面基坑土體開(kāi)挖和施加支撐共11工況(圖1),每次開(kāi)挖深度到達(dá)下一支撐位置超挖1 m。本次只對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中的基坑變形進(jìn)行研究。

        圖1 基坑加固剖面圖(單位:mm)

        表2 地連墻物理力學(xué)參數(shù)

        表3 支撐物理力學(xué)參數(shù)

        4 數(shù)值模擬結(jié)果

        4.1 不同區(qū)域加固對(duì)地連墻側(cè)向位移的影響

        基坑土體加固都能在一定程度限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形,只是趨勢(shì)和程度各有不同。

        表4 主要土層計(jì)算參數(shù)

        圖2 墻體最終側(cè)向位移曲線(xiàn)

        由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),地連墻側(cè)向位移值隨著基坑開(kāi)挖深度增加而增大(圖2),開(kāi)挖達(dá)到基坑底面,地連墻側(cè)向位移達(dá)到最大,主被動(dòng)區(qū)不加固為33.19 mm,僅主動(dòng)區(qū)加固為28.59 mm,減小位移13.86%,而僅被動(dòng)區(qū)加固、主被動(dòng)區(qū)加固分別為23.46 mm和24.17 mm,減小位移達(dá)30%左右;最終的墻頂位移值,主被動(dòng)區(qū)不加固和僅被動(dòng)區(qū)加固分別為5.46 mm和6.39 mm,僅主動(dòng)區(qū)加固和主被動(dòng)區(qū)加固分別為3.24 mm和3.85 mm,后2種情況可以限制墻頂位移達(dá)到40%左右;最終墻底位移值,主被動(dòng)區(qū)加固和主被動(dòng)區(qū)不加固時(shí)較為接近,僅主動(dòng)區(qū)加固墻底位移稍大,而僅被動(dòng)區(qū)加固則稍小。

        4.2 不同區(qū)域加固對(duì)坑底土體隆起的影響

        不同區(qū)域加固都能在一定程度上限制坑底土體隆起。被動(dòng)區(qū)加固限制隆起量更為明顯,尤其在加固區(qū)附近降幅超過(guò)50%,如圖3所示。僅主動(dòng)區(qū)加固對(duì)隆起量影響甚微,降幅僅5%左右。加固限制隆起程度隨距離墻體越遠(yuǎn)而逐漸減弱。

        圖3 坑底土體隆起曲線(xiàn)

        4.3 不同區(qū)域加固對(duì)坑后土體變形的影響

        基坑土體加固都能在一定程度上限制基坑背后土體的沉降量(圖4),尤其在距地連墻接近基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)。主被動(dòng)區(qū)不加固最大沉降值為58.52 mm,僅被動(dòng)區(qū)加固和僅主動(dòng)區(qū)加固分別為52.27 mm和53.86 mm,都能限制沉降值達(dá)10%左右,而主被動(dòng)區(qū)加固的最大沉降值49.41 mm,限制沉降值超過(guò)15%。因此,基坑被動(dòng)區(qū)加固能夠在一定程度上限制坑后土體的沉降變形。

        圖4 坑后表面土體沉降曲線(xiàn)

        基坑土體開(kāi)挖導(dǎo)致土層側(cè)向移動(dòng)。如圖5所示,在基坑背后14 m左右范圍內(nèi),基坑加固都增加了坑后土體的側(cè)向位移值,但增加甚微不超過(guò)5 mm;在基坑背后14 m范圍外,不同區(qū)域加固都能減小土體側(cè)向位移,主被動(dòng)區(qū)加固最明顯,減小土體側(cè)向位移達(dá)到50%;僅被動(dòng)區(qū)加固減小土體側(cè)向位移38%左右;僅主動(dòng)區(qū)加固只為20%不到。因此,基坑被動(dòng)區(qū)加固能夠在一定程度上限制坑后土體的側(cè)向變形。

        圖5 坑后土體水平位移曲線(xiàn)

        5 變形比較分析

        通過(guò)以上數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析得出:基坑不同區(qū)域土體加固都增強(qiáng)基坑整體性,能夠在一定程度上限制基坑土體的變形。主被動(dòng)區(qū)同時(shí)加固對(duì)限制基坑變形最為顯著,僅被動(dòng)區(qū)加固對(duì)限制坑底隆起效果明顯。因此,被動(dòng)區(qū)加固最為關(guān)鍵;主動(dòng)區(qū)加固能夠均衡土壓,提高支擋結(jié)構(gòu)的整體工作性狀,有利于產(chǎn)生對(duì)支擋結(jié)構(gòu)有益的地層應(yīng)力重分布。

        實(shí)際基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也反映了同樣的變化趨勢(shì)(圖6),僅被動(dòng)區(qū)加固比主被動(dòng)區(qū)加固產(chǎn)生的土拱效應(yīng)更為明顯。

        圖6 實(shí)測(cè)墻體最終側(cè)向位移曲線(xiàn)

        綜合以上數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較分析:在三種基坑加固方式中,基坑主被動(dòng)區(qū)加固提高了加固區(qū)土體的剛度,增強(qiáng)了基坑整體穩(wěn)定性,能夠很好地限制基坑土體的變形,其控制變形的效果最為明顯;基坑被動(dòng)區(qū)加固效果稍遜于主被動(dòng)區(qū)加固的情況,但對(duì)基坑變形的影響與主被動(dòng)區(qū)加固較為相似,尤其在限制地連墻最大側(cè)向位移、墻頂位移、坑底隆起量、坑后14 m范圍外的側(cè)向位移等方面,相差幅度不大。因此,主被動(dòng)區(qū)加固方式中的坑后主動(dòng)區(qū)加固部分對(duì)基坑整體剛度的貢獻(xiàn)不大,對(duì)基坑變形影響效果不明顯。

        對(duì)基坑進(jìn)行僅主動(dòng)區(qū)加固,雖然能夠在一定程度上提高基坑整體穩(wěn)定性,但與僅被動(dòng)區(qū)加固方式比較,控制基坑變形的能力遜色很多,只有在控制基坑后18 m范圍內(nèi)的土體沉降量時(shí)其效果與僅被動(dòng)區(qū)加固相接近。

        6 結(jié)論

        綜上分析:基坑被動(dòng)區(qū)加固能夠很好提高基坑整體剛度,增強(qiáng)基坑整體穩(wěn)定性,對(duì)減小基坑側(cè)向變形、坑底隆起量起到重要作用,能夠在一定程度限制坑后土體變形?;又鲃?dòng)區(qū)加固能夠增強(qiáng)坑后土體強(qiáng)度和承載力,增強(qiáng)基坑整體性均衡土壓,但對(duì)限制基坑變形程度有限。在各種變形要求苛刻的條件下可同時(shí)采用主、被動(dòng)土壓區(qū)加固的手段。

        因此,需要根據(jù)不同地質(zhì)條件和不同荷載要求,選擇合理基坑加固區(qū)域、加固形式,能夠很好地起到提高基坑整體剛度,增強(qiáng)基坑整體穩(wěn)定性,減小基坑土體變形的作用。

        [1]趙錫宏,等.大型超深基坑工程實(shí)踐與理論[M].北京:人民交通出版社,2006:1-7.

        [2]陳興年,劉國(guó)彬,侯學(xué)淵.深大基坑中的加固效果評(píng)價(jià)[J].建筑技術(shù),2002,2(33):93-94.

        [3]黃宏偉,任臻,錢(qián)偉.深基坑內(nèi)加固與墻體側(cè)向位移的相互影響實(shí)測(cè)分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2000,30(11):55-57.

        [4]魏祥,杜金龍,楊敏.被動(dòng)區(qū)加固對(duì)基坑外樁基礎(chǔ)的變形影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,30(S):37-40.

        [5]楊敏,朱碧堂.超載軟土地基主動(dòng)加固控制鄰近樁基側(cè)向變形分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2003,24(4):76-84.

        [6]楊敏,朱碧堂.超載軟土地基被動(dòng)加固控制臨近樁基側(cè)向變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(11):1912-1918.

        [7]胡承軍,劉燕,劉濤.坑外攪拌樁加固對(duì)基坑變形的影響分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(S):1859-1861.

        [8]《地基基礎(chǔ)手冊(cè)》編寫(xiě)委員會(huì).地基處理手冊(cè)[M].2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000:419-424.

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