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        軟土地區(qū)深基坑考慮時空效應(yīng)的變形特征分析

        2016-01-07 03:46:49劉亞文彭更生郭志明梁進軍
        交通科技 2015年5期
        關(guān)鍵詞:基床軟土時空

        劉亞文 王 飛 彭更生 郭志明 梁進軍

        (1.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院 南京 210007; 2.南京重大路橋建設(shè)指揮部 南京 210000)

        軟土地區(qū)深基坑考慮時空效應(yīng)的變形特征分析

        劉亞文1王飛1彭更生2郭志明2梁進軍1

        (1.解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院南京210007;2.南京重大路橋建設(shè)指揮部南京210000)

        摘要軟土地區(qū)基坑開挖是一項復(fù)雜的工程,針對軟土流變性導致的“時空效應(yīng)”的特點,以南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)明挖區(qū)間基坑工程為實例,對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析探討,采用等效水平抗力系數(shù)計算方法,并與實測數(shù)值進行對比分析,證實了在軟土地區(qū)基坑設(shè)計和施工中考慮時空效應(yīng)的必要性。

        關(guān)鍵詞軟土深基坑時空效應(yīng)彈性桿系有限元法

        隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展,大量的深基坑工程出現(xiàn)在城市建設(shè)中。由于基坑開挖支護問題比較復(fù)雜,目前我國在基坑設(shè)計中大多考慮土體彈性變形,很少考慮塑性變形。至于“時空效應(yīng)”產(chǎn)生的影響,在實際工程中也從未考慮[1],致使設(shè)計計算值同現(xiàn)場實測值之間相差較大,可信度大大降低。特別對于處于軟土地區(qū)的基坑,土體的流變性致使基坑開挖的“時空效應(yīng)”更加明顯。

        本文根據(jù)劉建航[2]針對上海軟土流變特性提出的“時空效應(yīng)”理論,以南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)明挖區(qū)間基坑工程為實例,研究了基坑的變形特征和變化規(guī)律。并與現(xiàn)場實測數(shù)值進行對比分析,證實了在軟土地區(qū)基坑設(shè)計和施工中

        考慮時空效應(yīng)的必要性。

        1工程概述

        南京青奧軸線地下交通系統(tǒng)J2區(qū)YK10+615~YK10+710里程段基坑長約95 m,施工方法為明挖順作法,采用直徑800 mm地連墻作為開挖時的支護結(jié)構(gòu)?;涌缍燃s45 m,開挖深度為14.0~15.3 m,地連墻深27.5 m。本里程段位于長江夾江東南岸,屬長江古河道漫灘地貌區(qū),地層以灰褐色粉質(zhì)黏土、粉土及淤泥質(zhì)土為主?;拥燃墳橐患?,沿基坑深度方向設(shè)4道支撐,第一道為鋼筋混凝土支撐,其余均為直徑609 mm鋼管支撐。各土層物理力學參數(shù)見表1。

        表1 各土層物理參數(shù)表

        本基坑周圍環(huán)境復(fù)雜,維護結(jié)構(gòu)要確保施工期安全可靠,控制其沉降和變形,防止對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響?;幼冃我螅旱叵聣ψ畲笞冃巍?.28%H,周邊地面最大沉降≤0.18%H(H為基坑深度)。

        2圍護結(jié)構(gòu)變形實測數(shù)據(jù)分析

        為研究土體水平位移場,現(xiàn)以J2區(qū)CX14的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來作為研究軟土地區(qū)基坑考慮“時空效應(yīng)”影響的變形特征依據(jù)。本文監(jiān)測范圍內(nèi)實際施工工況時間跨度為10月26日至12月1日。CX14與地連墻的距離較近,因此可以用該點的測斜數(shù)據(jù)作為地連墻的水平變形值。

        圖1為CX14測點在不同工況下的測斜變形曲線。與常見多道支撐圍護結(jié)構(gòu)的整體變形呈“兩頭小,中間大”狀的變形規(guī)律吻合[3];且圍護結(jié)構(gòu)變形與基坑開挖深度呈正相關(guān);此外,基坑變形與開挖的暴露時間也有關(guān)系,暴露時間越長,變形增長量越大。圖2為CX14最大水平位移與時間的關(guān)系圖。從圖可知由于土體開挖緊接著混凝土支撐澆筑完成后進行,因此首道鋼支撐架設(shè)至混凝土支撐之間時間間隔僅有1周,無支撐暴露時間不長,因此變形較小,從10月26日的0.54 mm變化到11月3日的7.96 mm。而至第二道支撐相隔時間將近2周,變形最為明顯。變形由7.96 mm增長到29.32 mm。最后一道鋼支撐的架設(shè)以及底板墊層施工與第二道鋼支撐之間的時間間隔短,變形相對穩(wěn)定,其變形速率小于1 mm/d。因此,基坑開挖時間跨度大和架設(shè)支撐不及時、軟土的流變特性以及開挖土對被動區(qū)土體擾動等均會對地連墻變形產(chǎn)生重要影響。這充分論證了軟土地區(qū)基坑開挖時考慮時空效應(yīng)的必要性。

        圖1不同工況下的測斜變形曲線

        圖2 最大水平位移與時間的關(guān)系圖

        3應(yīng)用時空效應(yīng)原理的工程實踐

        3.1 時空效應(yīng)原理

        對于長條形基坑支護結(jié)構(gòu)和內(nèi)力計算的計算模型及相關(guān)參數(shù)的選取,目前我國仍采用圖3所示的彈性桿系有限元計算模型,也未考慮“時空效應(yīng)”的影響,致使設(shè)計計算值同實測值之間誤差較大,可信度大大降低。劉建航等人[4]基于對不同地質(zhì)、支護和施工條件下的大量有關(guān)基坑變形觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、論證后,推導得出可以反映與各施工參數(shù)和土體參數(shù)的相關(guān)性的數(shù)學表達式。將等效基床系數(shù)應(yīng)用到實際工程中,在實質(zhì)上考慮了軟土流變性和基坑開挖及支撐施工中“時空效應(yīng)”對實際工程的影響。

        圖3彈性桿系有限元計算模型

        土體的水平基床系數(shù)影響因素有:基坑的開挖空間、時間、深度、加固條件、地質(zhì)條件、支護條件等。因此可將其視為影響因素的函數(shù)。現(xiàn)采用等效水平基床系數(shù),以綜合反映土體抵抗變形的能力。文獻[5]根據(jù)對大量的試驗數(shù)據(jù)的研究和總結(jié),提出了能綜合考慮土體的各種應(yīng)力狀態(tài),以及時空效應(yīng)等各種復(fù)雜因素影響的半理論、半經(jīng)驗的等效水平基床系數(shù)Khi計算公式。不同土層、工況條件下Khi的計算公式如下。

        式中:Tj為每步基坑開挖無支撐暴露時間;Bj為每步基坑開挖土體沿擋墻方向的尺寸;γi為第i層土的天然容重;φi為第i層土的內(nèi)摩擦角;ci為第i層土的粘聚力;φcq為要計算點hi處的強度指標;hi為要計算點所處深度;hj為當前開挖面所處的深度;γ′為第i層土的浮容重。

        3.2 墻后土壓力的變化規(guī)律

        由土壓力變化與墻體位移關(guān)系(見圖4)可知:在軟土地區(qū),受到流變的影響,主動土壓力隨著支護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移不斷增大而下降。實測資料表明[5]:墻后主動土壓力分布接近梯形,因此按面積相等的原則將其等價成梯形。在實際計算中,可令施工工況對土壓力不產(chǎn)生影響,而將時空效應(yīng)對其影響統(tǒng)一考慮到Khi中去。

        圖4 土壓力與墻體位移關(guān)系曲線

        3.3 工程實例計算分析

        計算采用彈性桿系有限元法,允許圍護結(jié)構(gòu)有一定的初始位移產(chǎn)生,開挖過程中遵循“先撐后挖、分層開挖”的原則。第一工況為開挖至第1道鋼支撐下0.5 m且完成第1道鋼支撐,即開挖至-5 m處(前期已完成混凝土支撐澆筑);第二工況為開挖至第2道鋼支撐下0.5 m且完成第2道鋼支撐,即開挖至-8.5 m處;第三工況為開挖至第三3道鋼支撐下0.5 m且完成第3道鋼支撐,即開挖至-12 m處。第四工況為開挖至坑底,即開挖至-14.2 m處。各工況水平位移計算結(jié)果和工程監(jiān)測數(shù)值見圖5。

        圖5 理論計算值與監(jiān)測值的對比

        第一工況,開挖至-5 m時,監(jiān)測和計算的最大位移分別為7.96 mm和7.80 mm,產(chǎn)生的位置分別為-6 m和-11 m。計算值總體大于現(xiàn)場監(jiān)測值,根據(jù)施工工況報告,開挖前對開挖段坑內(nèi)土體進行地基加固處理。根據(jù)文獻[6],地基加固對水平基床系數(shù)有顯著影響;當其他因素相同時,等效水平基床系數(shù)隨著地基加固的強度的增加而呈線性增加。

        第二到第四工況,監(jiān)測值與實測值基本吻合。表明在軟土地區(qū)運用考慮時空效應(yīng)的計算模型和參數(shù)項目的合理性和可行性,其可以較好地反映基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形的基本規(guī)律,同時說明了在設(shè)計和施工中合理地考慮時空效應(yīng)的影響,就能選取科學而又符合實際的施工工序和施工參數(shù)??茖W的規(guī)劃施工,可以得到坑周土體應(yīng)力路徑和應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律。從而使設(shè)計計算值同實測值之間更加接近。

        4結(jié)論

        (1) 本文基于南京地區(qū)基坑施工現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù),采用彈性桿系有限元計算模型并考慮了時空效應(yīng)的影響,對基坑變形進行了計算,計算值和實測值吻合較好,希望對類似軟土地區(qū)的基坑工程提供有益的借鑒。

        (2) 在軟土地區(qū)進行基坑的設(shè)計和施工時,除了依據(jù)地基參數(shù)、支護結(jié)構(gòu)參數(shù)以外,基坑開挖的時空效應(yīng)必須納入分析的范疇。

        (3) 開挖至-5 m時,由于地基加固的影響,導致計算值總體大于現(xiàn)場監(jiān)測值。地基加固對等效水平基床系數(shù)影響有待進一步研究。

        參考文獻

        [1]姜彥彥,姜建平,紀宏.隧道開挖面空間效應(yīng)特征研究及應(yīng)用[J].交通科技,2014 (1):44-47.

        [2]劉建航.軟土基坑工程中時空效應(yīng)理論與實踐[J].巖石力學與工程學報,1998 (18):763-770.

        [3]劉燕,劉濤,胡承軍,等.上海地鐵M8線某車站基坑開挖變形特征分析[J].浙江工業(yè)大學學報,2005,33(5):547-550.

        [4]劉建航,劉國彬,范益群.軟土基坑工程中時空效應(yīng)理論與實踐[J].地下工程與隧道,1999(3):7-12;1999(4):10-14.

        [5]范益群,孫巍,劉國彬,等.軟土深基坑考慮時空效應(yīng)的空間計算分析[J].地下工程與隧道,1999(2):2-8.

        [6]劉國彬,黃院雄,侯學淵,等.考慮時空效應(yīng)的等效土體水平抗力系數(shù)的取值研究[J].巖土工程學報,2001(3):97-102.

        收稿日期:2015-05-22

        DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.022

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