任建喜 朱元偉

（西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安∥第一作者，教授）

黃土地區(qū)地鐵深基坑圍護結構變形特性的FLAC軟件模擬分析

任建喜 朱元偉

（西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安∥第一作者，教授）

以西安地鐵2號線韋曲南站深基坑工程為對象，通過FLAC軟件模擬計算及現(xiàn)場監(jiān)測得出黃土地區(qū)該地鐵車站深基坑圍護樁樁體位移變化特征、鋼支撐軸力變化特征，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)得出黃土濕陷性對該基坑圍護結構的影響程度。所得結果可為西安黃土地區(qū)車站深基坑圍護結構優(yōu)化及監(jiān)測方案的制定提供參考。

黃土地區(qū)；地鐵深基坑；圍護結構；變形特征；FLAC模擬

First-author'saddressXi＇an University of Science and Technology，710054，Xi＇an，China

地鐵車站基坑圍護結構穩(wěn)定性分析研究是黃土地區(qū)城市地鐵建設中的關鍵課題之一，開展黃土地區(qū)地鐵車站深基坑圍護結構變形特征研究具有重要的價值［1-3］。很多學者采用數(shù)值模擬計算軟件及現(xiàn)場監(jiān)測相結合的方法得出了不同地區(qū)地鐵車站基坑圍護結構的變形特征［4-6］。有關黃土地區(qū)地鐵車站深基坑圍護結構變形特征研究的成果還不多見。本文依托西安地鐵2號線韋曲南站深基坑工程，通過FLAC軟件數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結合的手段研究黃土地區(qū)地鐵車站深基坑圍護結構變形特征，目的是為圍護結構方案設計及優(yōu)化提供理論支撐。

1 工程概況

韋曲南站位于南長安街與規(guī)劃路的十字交叉口，車站大致呈南北走向布置。車站為地下2層島式明挖車站，站臺寬12 m，車站中心里程為YDK26 +461.713，左線起點里程為ZDK26+325.263，終點里程為ZDK26+635.523，右線起點里程為YDK26+261.913，終點里程YDK26+581.663。車站（含北側單渡線）總長為318.75 m，標準段寬為20.7 m，深15.5～17.8 m。

根據(jù)勘察資料顯示，基坑在深度50.0 m范圍內的地層主要為第四系松積物，地層自上至下由全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、沖積（Q4al）黃土狀土、粉質黏土、中砂、卵石、中更新世沖積（Q2al）粉質黏土、中砂等組成。

該場地所揭露的地下水為第四系孔隙潛水，含水層主要為第四系全新世砂礫卵石土和中更新世沖積中粗砂中的孔隙水，潛水含水層厚度大于40 m?？辈斓贸龅叵滤疂撍宦裆顬?.6～6.5 m，水位高程為428.40～430.15 m。

2 深基坑圍護結構設計及監(jiān)測方案制定

2.1 圍護結構設計方案

基坑采用明挖順作法施工，圍護結構采用鉆孔灌注樁，基坑內設鋼管支撐。鉆孔灌注樁采用C30混凝土，樁頂冠梁采用C25混凝土，中間擋土板采用C20混凝土。鋼支撐采用內徑φ600 mm鋼管

（壁厚12 mm），鋼圍檁采用2根I45b組合型鋼，鋼管及圍檁材質為Q235-BF。鉆孔灌注樁保護層厚70 mm，冠梁混凝土保護層厚50 mm，擋土墻保護層厚25 mm。

根據(jù)車站結構形式、場地地質及周圍環(huán)境特征，結合深基坑施工設計經(jīng)驗及計算數(shù)據(jù)對主體圍護結構采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁，凈間距為1 300 mm和1 500 mm兩種。內支撐采用三道鋼管支撐，第一道為φ600 mm（厚12 mm）鋼管，第二、三道為φ600 mm（厚14 mm）鋼管，局部為厚16 mm鋼管，鋼管水平間距為3.0 m。第一、二、三道鋼支撐的設計軸力分別為400 kN、2 300 k N、1 800 kN，第一、二、三道鋼支撐的預加軸力分別為300 k N、1 000 k N、1 000 k N。

2.2 監(jiān)測方案

基坑開挖必定會使周圍環(huán)境發(fā)生變化，如周圍土體沉降、臨近建筑物變形等，同時還會引起基坑圍護結構和周圍土體的變形，給基坑穩(wěn)定性造成影響。而基坑圍護結構的變形與諸多因素有關，如基坑圍護結構形式、支撐系統(tǒng)等。綜合考慮各種因素對基坑圍護結構的影響，主要對樁體水平位移及鋼支撐軸力進行監(jiān)測。監(jiān)測點布置及其斷面見圖1。

圖1 監(jiān)測點布置及其斷面圖

3 深基坑圍護結構變形FLAC計算分析

3.1 FLAC計算模型確定

按照基坑實際尺寸（寬20.7 m，深16.21 m）進行開挖，影響區(qū)域選開挖尺寸的3～5倍。基坑在開挖前已進行降水處理，保證地下水一直位于開挖基準面以下，故在FLAC模擬計算中，沒有考慮地下水滲流對深基坑變形及其穩(wěn)定性的影響。選取110 m×80 m（長×寬）的區(qū)域建立FLAC計算模型。模型產(chǎn)生7 056個單元，10 860個節(jié)點，見圖2。

3.2 模型的邊界條件

在深基坑周圍地表沒有固定荷載，但考慮到深基坑邊可能會有臨時堆載及瞬時動載等因素，故施加均布荷載q=10 kPa。左右兩側邊界施加X方向約束；下側邊界施加X及Y方向約束；前后邊界施加Y方向約束。

圖2 基坑開挖FLAC模型剖面圖

3.3 本構模型及計算參數(shù)

根據(jù)已有的研究，黃土天然強度近似服從Mohr-Coulomb準則［7］。因在基坑開挖前已進行了降水處理，避免了地下水對黃土的影響，故在模擬基坑開挖過程中土體可采用Mohr-Coulomb本構模型。

參考韋曲南站巖土工程勘察報告提供的地質鉆孔柱狀圖和工程地質剖面圖，列出各土層分布及其物理力學參數(shù)，見表1。

表1 各土層物理力學參數(shù)表

3.4 計算工況

計算模型的模擬過程如下：①初始地應力計算；②施加圍護樁；③開挖至1.5 m深；④開挖至2.75 m深架設第一道鋼支撐；⑤開挖至7.4 m深架設第二道鋼支撐；⑥開挖至12.8 m深架設第三道鋼支撐；⑦開挖至坑底，即16.21 m深。

3.5 計算結果分析

3.5.1 樁體水平位移變化特征

樁體水平位移能夠完整地反映圍護樁樁身的變形，也是圍護結構安全狀況的重要指標。本文選取圖1中監(jiān)測斷面1-1的CX14測點樁進行重點研究。該截面處基坑開挖最大寬度為20.7 m，開挖深度為16.21 m。CX14測點樁體水平位移隨施工過程變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，開挖至2.75 m深，圍護樁有向基坑內移動的趨勢。這是因為基坑開挖打破原有土層平衡狀態(tài)，為了達到新的平衡狀態(tài)土體有回彈趨勢。隨著基坑開挖深度的增大，圍護樁水平位移逐漸增大，樁體最大變形發(fā)生在中部，且最大水平位移是5.48 mm。在施工過程中，由于鋼支撐的加設，對基坑變形起到了很好的限制作用，使得位移增長速率逐漸變小。

圖3 CX14測點樁體水平位移隨施工過程變化曲線

3.5.2 鋼支撐軸力變化特征

以圖1斷面1-1的第一道鋼支撐1-41為例，分析土方開挖完成后鋼支撐軸力變化特征，其結果見圖4。

圖4 1-41鋼支撐軸力隨施工過程變化曲線

由圖4可知，鋼支撐施作完成后的開始階段，預應力呈“波浪式”變化，但基本上處于穩(wěn)定小幅度增大狀態(tài)?！安ɡ耸健弊兓饕且驗榛优赃吙赡苡信R時堆載和瞬時動載，從而使得鋼支撐軸力有細微變化，但對鋼支撐軸力的變化影響不大。鋼支撐由剛開始預加軸力379 kN增大到490 kN，這是由于基坑內土方的開挖，起到卸載的效果，使得圍護樁后面主動土壓力增大，被動土壓力減小，引起樁身水平位移有向基坑內發(fā)展的趨勢。這表明鋼支撐的存在有助于圍護樁位移向基坑外側適當發(fā)展，這對基坑穩(wěn)定是有利的。這一特征和測點CX14的樁身水平位移分析結果基本吻合。在第35天，軸力由490 kN減小到382 k N，主要是因為基坑開挖至設計標高，基坑底土壓力迅速釋放，底部樁體位移向坑內發(fā)展，上部樁體位移向坑外發(fā)展，使得鋼支撐軸力得到一定的釋放。隨后軸力變化緩慢，基本穩(wěn)定在370 kN左右。

4 圍護結構變形的FLAC模擬計算結果與監(jiān)測結果對比分析

4.1 樁體水平位移計算結果與監(jiān)測結果對比分析

基坑開挖到不同深度處樁體水平位移模擬計算結果與監(jiān)測結果對比如圖5所示。

圖5 基坑開挖到不同深度處樁體水平位移模擬計算結果與監(jiān)測結果對比

由圖5可知，樁體水平位移模擬計算結果變形趨勢和現(xiàn)場監(jiān)測變形趨勢基本吻合，圍護樁最危險的地方都出現(xiàn)在基坑中部到2/3基坑深度處。這點模擬計算結果與監(jiān)測結果基本是一致的?，F(xiàn)場監(jiān)測到樁體最大水平位移為4.74 mm，F(xiàn)LAC模擬計算結果最大值為5.48 mm。這主要是由于數(shù)值模擬計算未能考慮土層中孔隙水的影響，計算結果與監(jiān)測結果在數(shù)值上有些出入，但基本上不影響對基坑穩(wěn)定性的評價。

4.2 鋼支撐軸力模擬計算結果與監(jiān)測結果對比分析

鋼支撐軸力模擬計算結果與監(jiān)測結果對比如圖6所示。

圖6 鋼支撐軸力模擬計算結果與監(jiān)測結果對比

由圖6可知，剛支撐軸力計算結果變化趨勢和現(xiàn)場監(jiān)測變化趨勢基本吻合，剛開始軸力都是呈“波浪式”變化，且基本上處于穩(wěn)定有小幅度增大狀態(tài)?，F(xiàn)場監(jiān)測到支撐軸力由剛開始預加軸力400 kN增大到最大值518 k N，而后又減小到374 k N，其變化原因同模擬計算結果分析一致。最后基本上趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定在425～430 k N范圍內。

5 黃土濕陷性對圍護結構變形的影響

韋曲南站深基坑黃土層的天然含水量在10%～30%之間，當采取降水措施后，黃土的含水量會下降至10～20%之間，但在施工過程中不可避免地會遇到下雨并導致黃土發(fā)生浸水濕陷。下雨前后CX14測點的樁體水平位移監(jiān)測結果見圖7。

圖7 下雨前后CX14測點的樁體水平位移監(jiān)測結果對比

由圖7可知：CX14測點的圍護樁體水平位移在下雨前后變化趨勢基本上一致；下雨前樁體最大水平位移為4.98 mm，但由于下雨導致黃土浸水濕陷，黏聚力減小，抗剪強度減小，圍護樁體水平位移變?yōu)?.87 mm，圍護樁體最大水平位移較下雨前增大20%左右。為了減小黃土濕陷性對圍護結構的影響，在雨天應加強對圍護樁體水平位移監(jiān)測和地下水位變化情況的監(jiān)測。

6 結論

1）結合FLAC模擬計算結果分析可知：隨著本基坑的開挖，圍護樁身變形曲線由前傾型逐漸向弓形變化，樁體最大水平位移的發(fā)生部位也隨之下移至基坑中部，達到5.48 mm；施加鋼支撐后，其軸力初期呈“波浪式”變化，當基坑開挖至設計標高時，支撐軸力驟減而最后處于穩(wěn)定且有小幅度增大狀態(tài)。

2）對比分析FLAC預測結果和現(xiàn)場監(jiān)測結果可知：圍護樁體水平位移、鋼支撐軸力的FLAC模擬計算結果變化趨勢與實測結果變化趨勢基本一致。鋼支撐在一定程度上限制了樁體向基坑內的水平變形，有利于維護深基坑的穩(wěn)定性。

3）下雨天黃土發(fā)生浸水濕陷后，圍護樁體水平位移達5.87 mm，較下雨前增大20%左右。為了確保基坑圍護結構的穩(wěn)定性，在雨天應提高監(jiān)測頻率并及時監(jiān)測地下水位變化情況。

［1］ 劉均紅，陳弦.黃土地區(qū)地鐵車站深基坑變形監(jiān)測與分析［J］.城市軌道交通研究，2009（8）：68.

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［3］ 任建喜，馮曉光，劉慧，等.地鐵車站深基坑圍護結構變形規(guī)律監(jiān)測研究［J］.鐵道工程學報，2009（3）：89.

［4］ 譚永朝，唐雅茹，彭加強，等.基于數(shù)值分析的深基坑圍護結構優(yōu)化設計［J］.城市軌道交通研究，2009（8）：21.

［5］ 樊勝軍，胡長明，劉振江.某深基坑施工期圍護結構變形監(jiān)測與數(shù)值模擬分析［J］.施工技術，2010（9）：82.

［6］ 林源，胡長明，李永輝.某黃土深基坑圍護結構變形數(shù)值分析與優(yōu)化［J］.施工技術，2010（5）：18.

［7］ 陳正漢，許鎮(zhèn)鴻，劉祖典.關于黃土濕陷的若干問題［J］.土木工程學報，1986（8）：86.

FLAC Numerical Simulation of Deep Foundation Pit Retaining Structure Deformation Characteristicsin Loess Area

Ren Jianxi，Zhu Yuanwei

Based on the deep foundation pit engineering of South Weiqu Station on Xi＇an metro Line 2，and through FLAC numerical simulation software and on-site monitoring，the pile displacement variation and the steel support axial force variation of the deep foundation pit in the collapsible loess area are obtained.By analyzing the monitored data，the deformation law of retaining structure influenced by collapsible loess is founded.This research will provide a reference for the optimization of deep foundation pit support structure and formulation of monitoring program in the collapsible loess around Xi＇an railway stations.

loess area；deep foundation pit of metro；retaining structure；deformation characteristic；FLAC numerical simulation

TU 433

2014-02-15）