胡 軍

軟弱地層深基坑開(kāi)挖地下連續(xù)墻變形分析

胡 軍

摘 要：以寧波某軟弱地層地鐵車站深基坑工程為背景，采用有限元模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻的變形規(guī)律進(jìn)行了分析。分析表明：有限元模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致，能比較準(zhǔn)確地反映地下連續(xù)墻的水平位移變化規(guī)律和大小；地下連續(xù)墻水平位移隨基坑開(kāi)挖深度的增加而增大，最大位移的位置也相應(yīng)下移；基坑開(kāi)挖深度相同時(shí)，無(wú)支撐暴露時(shí)間越長(zhǎng)地下連續(xù)墻水平位移越大。

關(guān)鍵詞：軟弱地層；深基坑開(kāi)挖；地下連續(xù)墻；變形分析

胡軍：中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，工程師，天津 300300

0　引言

地下連續(xù)墻作為深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其自身的變形大小和規(guī)律直接影響著基坑開(kāi)挖施工的安全。影響地下連續(xù)墻變形的因素比較復(fù)雜，主要因素有擬建場(chǎng)地的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、基坑平面形狀、基坑大小、周圍環(huán)境、墻體的參數(shù)及施工方法等。工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件是深基坑施工的客觀條件，對(duì)地下連續(xù)墻施工及變形控制有顯著影響。在軟弱地層進(jìn)行深基坑開(kāi)挖施工，控制地下連續(xù)墻的變形是確?；影踩_(kāi)挖的重要措施。本文結(jié)合寧波某地鐵車站深基坑工程，通過(guò)有限元分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，對(duì)軟弱地層深基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻的變形規(guī)律及大小進(jìn)行研究，為今后類似工程施工提供參考。

1　工程概況

本地鐵車站全長(zhǎng)188.4 m，外包寬度為22.5 m?；訕?biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度為21.992 m，端頭井基坑開(kāi)挖深度為23.758 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.0 m厚地下連續(xù)墻，長(zhǎng)40 m，支撐體系采用混凝土支撐＋鋼支撐相結(jié)合的內(nèi)支撐體系，標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)置6道支撐，端頭井設(shè)置7道支撐。第1、4道支撐為鋼筋混凝土支撐，第5道為雙拼鋼支撐，其余為單拼鋼支撐。采用明挖順做法施工。擬建場(chǎng)地地貌屬于杭州灣南岸濱海淤積型平原，地基土層屬于軟弱土層。

2　地下連續(xù)墻變形有限元分析

2.1有限元模型建立

本文采用專業(yè)巖土工程分析軟件Plaxis3D建立三維有限元模型。根據(jù)本工程基坑尺寸大小，考慮邊界效應(yīng)，取計(jì)算模型尺寸長(zhǎng)260 m，寬80 m，高100 m，如圖1所示。

圖1　基坑三維有限元模型

土體材料采用實(shí)體單元，考慮軟弱土體的蠕變特性，①層～④層土本構(gòu)模型采用蠕變模型，其余土層采用硬化模型（HS模型）。蠕變模型參數(shù)選取根據(jù)試驗(yàn)所得值與參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定，如表1所示。地下連續(xù)墻和混凝土支撐采用采用板單元，鋼支撐采用Anchors單元，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1　土體參數(shù)

表2　結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2有限元模擬方法

本文有限元模擬過(guò)程為：①自重應(yīng)力平衡，即，不激活模型中的結(jié)構(gòu)單元，只對(duì)地基土體材料施加重力，模擬自重條件下地基的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，保留地基的應(yīng)力場(chǎng)而將位移場(chǎng)置零；②激活地下連續(xù)墻；③基坑開(kāi)挖與支撐施工，即，通過(guò)“殺死”坑內(nèi)土體單元，激活相應(yīng)位置的Plate和Anchors單元來(lái)模擬土層開(kāi)挖和支撐施工。

為便于觀察開(kāi)挖過(guò)程，每次基坑開(kāi)挖至各道支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高以下0.5 m，開(kāi)挖深度分別為5.4、8.66、11.3、13.8、16.5、18.8 、21.4 m。2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1開(kāi)挖深度對(duì)地下連續(xù)墻水平位移的影響

圖2給出了地下連續(xù)墻水平位移隨基坑開(kāi)挖深度的變化曲線，由圖2的數(shù)據(jù)可看出：

（1）當(dāng)基坑開(kāi)挖深度為5.4 m的時(shí)候，地下連續(xù)墻最大水平位移為7.5 mm，出現(xiàn)在地下連續(xù)墻約17.5 m位置；

（2）當(dāng)基坑開(kāi)挖深度從8.66 m增加到11.3 m，最大水平位移出現(xiàn)了較為劇烈的增長(zhǎng)，最大水平位移由15.1 mm增大到33 mm，分別出現(xiàn)在地下連續(xù)墻約13 m和14.5 m位置；

（3）當(dāng)基坑開(kāi)挖到21.4 m的時(shí)候，地下連續(xù)墻最大水平位移達(dá)到69 mm，出現(xiàn)在地下連續(xù)墻約20.5 m位置。

2.3.2基坑暴露時(shí)間對(duì)地下連續(xù)墻水平位移的影響

圖2　地下連續(xù)墻水平位移曲線

圖3　不同暴露時(shí)間下地下連續(xù)墻水平位移曲線

圖3給出了基坑開(kāi)挖深度為5.4、21.4 m，基坑無(wú)支撐暴露時(shí)間分別為6、9、12、15、18 h時(shí)，地下連續(xù)墻水平位移變化曲線。

（1）由圖3a可以看出，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較小時(shí)（5.4 m），不同暴露時(shí)間下無(wú)支撐的地下連續(xù)墻呈現(xiàn)的最大水平位移變化較小，僅從2 mm增加到6 mm左右，且出現(xiàn)最大水平位移的位置并無(wú)顯著變化。由此可看出，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較小時(shí)，不同暴露時(shí)間下無(wú)支撐的地下連續(xù)墻水平位移變化呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但增速較低。

（2）由圖3b可以看出，當(dāng)開(kāi)挖深度達(dá)到21.4 m時(shí)，在不同暴露時(shí)間情況下，無(wú)支撐地下連續(xù)墻的最大水平位移從43.7 mm增加到了53.4 mm，位移增速約為開(kāi)挖深度5.4 m時(shí)的2.4倍，但出現(xiàn)的最大水平位移深度并無(wú)明顯變化，大致都集中在地下連續(xù)墻18.5 m的位置。因此，基坑在不同暴露時(shí)間下地下連續(xù)墻的水平位移都是逐漸變大的，并且隨著基坑開(kāi)挖深度的增加位移增速加大。

圖4　地下連續(xù)墻水平位移實(shí)測(cè)曲線

3　地下連續(xù)墻變形實(shí)測(cè)分析

基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)地下連續(xù)墻水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，圖4為與上述有限元模擬所選取的界面位置一致的CX6、CX15等2個(gè)地下連續(xù)墻測(cè)量斷面的水平位移實(shí)測(cè)曲線。

（1）由圖4中2個(gè)測(cè)量斷面的水平位移實(shí)測(cè)曲線可以看出，地下連續(xù)墻位移總體上呈現(xiàn)出中部大、上部與底部小的凸形，在基坑開(kāi)挖的初始階段，凸出部位（即最大位移處）靠近上部，隨著開(kāi)挖深度增加，該位置逐步下移；地下連續(xù)墻位移隨著開(kāi)挖深度增大而不斷增大，但不同階段墻體位移的增幅存在差異；基坑開(kāi)挖至16.5 m前，地下連續(xù)墻位移呈加速發(fā)展的趨勢(shì)，隨后地下連續(xù)墻位移逐漸減小，最終趨向收斂；2個(gè)測(cè)量斷面的最大水平位移分別達(dá)到64.5 mm和53 mm，最大水平位移的位置出現(xiàn)在地下連續(xù)墻17.5 m和21.5 m。

（2）通過(guò)對(duì)比圖4實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與圖2模擬數(shù)據(jù)可見(jiàn)，所得到的地下連續(xù)墻位移曲線變化范圍基本一致，且出現(xiàn)最大地下連續(xù)墻水平位移的位置和數(shù)值也十分接近。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)寧波某軟弱地層地鐵車站深基坑開(kāi)挖過(guò)程中地下連續(xù)墻水平位移變化的分析，得出以下結(jié)論：

（1）有限元模擬計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化曲線基本一致，且數(shù)值也十分吻合，因此，運(yùn)用有限元對(duì)工程進(jìn)行模擬能夠較準(zhǔn)確地反映地下連續(xù)墻水平位移變化規(guī)律和大?。?/p>

（2）隨基坑開(kāi)挖深度增加，地下連續(xù)墻水平位移隨之增大，地下連續(xù)墻最大水平位移位置也相應(yīng)下移，但位置變化的范圍并不大，地下連續(xù)墻水平位移增速呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；

（3）基坑開(kāi)挖深度相同時(shí)，地下連續(xù)墻無(wú)支撐暴露時(shí)間越長(zhǎng)墻體水平位移越大，尤其是在軟弱土層中表現(xiàn)更為明顯，且開(kāi)挖深度越大，地下連續(xù)墻最大水平位移差別越大。因此，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)盡量減小基坑的暴露時(shí)間，以減小地下連續(xù)墻的變形。

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Analysis of Underground Continuous Wall Deformation in Soft Soil Deep Foundation Pit Excavation

Hu Jun

Abstract:Taking a deep foundation pit engineering work at a soft stratum metro station in Ningbo as an example, the paper uses a method by combining the fi nite element simulation and analysis of measured data to analyze underground continuous wall deformation in the process of foundation pit excavation. The data have shown that the finite element simulation and patterns of the measured data are basically consistent, reflecting more accurately the underground continuous wall horizontal displacement changes and scales, underground continuous wall horizontal displacement increases in line with the increases of foundation pit excavation depth, and the position of the maximum displacement also goes downward correspondingly. When the foundation pit excavation depth is the same, greater horizontal displacement will occur on longer exposure of underground continuous wall without support.

Keywords:soft soil stratum, deep foundation pit excavation, underground continuous wall, deformation analysis

收稿日期2015-03-25責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

中圖分類號(hào)：TU433