崔建華，劉　創(chuàng)

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

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合肥地鐵車站明挖法施工基坑抗拔樁的受力數(shù)值模擬

崔建華，劉創(chuàng)

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

摘要：基坑開挖過程中導(dǎo)致地基土體呈卸載狀態(tài),因而改變了抗拔樁和底板原有的受力特點(diǎn)。本文通過Midas/GTS有限元分析軟件，對合肥地鐵車站明挖法施工過程中基坑抗拔樁的受力進(jìn)行了數(shù)值分析，系統(tǒng)的研究了基坑開挖導(dǎo)致原地基中抗拔樁承載性能的改變，從基坑開挖的深度，范圍，施工進(jìn)度等方面探討了對樁的承載力，摩擦力，軸力的影響規(guī)律，提出了相應(yīng)的設(shè)計和施工建議，為今后類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：深基坑；明挖法；抗拔樁；數(shù)值模擬

0引言

城市地下空間的開發(fā)利用已成為世界性發(fā)展趨勢，向地下要空間己成為城市發(fā)展的歷史必然。明挖法施工是指挖開地面,由上而下開挖土石方至設(shè)計標(biāo)高后，自基坑由下而上順作的施工方法。在開挖過程中，由于樁基礎(chǔ)一般最先設(shè)置，大面積的土體開挖引起的卸載變化勢必將對已存在坑底的抗拔樁產(chǎn)生影響[1]，一方面是土體開挖下由于卸載導(dǎo)致抗拔樁承載力的受到影響，另一方面是深基礎(chǔ)開挖土體的變形導(dǎo)致抗拔樁受力變化影響其樁身性能[2-5]。因此，分析地鐵車站明挖法施工工序?qū)拱螛兜挠绊戯@得尤為重要。

本文以合肥地鐵1號線區(qū)間其中某車站為背景，利用Midas/GTS有限元分析軟件，對車站施工工序進(jìn)行模擬，研究樁基中抗拔樁在施工過程中的受力及變形特征。

1Midas軟件模擬過程

1.1工程概況及模型建立

合肥大東門車站車站總長268.91m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23m。頂板覆土約0.8～4.4m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約22.8m。車站為明挖島式站臺車站，有效站臺寬度12m，采用雙層三跨結(jié)構(gòu)。車站南端設(shè)有渡線，渡線段采用雙層單跨結(jié)構(gòu)。本文選取一個標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行軟件模擬，實(shí)際施工標(biāo)準(zhǔn)段長為99米，寬23米，深33米。采用Midas GTS軟件進(jìn)行模擬時，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，模型計算深度取基底一下2倍的基坑開挖深度，影響深度取開挖深度的2-3倍，本工程屬于大面積基坑開挖，基坑的影響范圍應(yīng)取1倍以上的長邊長度。因此整個模型土體是長方體，計算長度取99m，寬度取55m，高度取75m。

1.2模型具體數(shù)值及邊界條件

整體模型采用先建立實(shí)體模型，后進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格控制劃分為1.5米正六面體，總計算單元40588個，節(jié)點(diǎn)共44844個，整體模型邊界條件是土層表面取自由面，其余各面加入法向約束，并加入自動重力荷載，抗拔樁設(shè)置豎向約束模擬土體摩擦力。整個基坑從上往下依次設(shè)置一道混凝土 支撐和四道鋼支撐，車站為地下三層結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖1和2。

1.3相關(guān)參數(shù)

(1)土體相關(guān)參數(shù)

建模使用土體參數(shù)見表1。

表1　土體相關(guān)參數(shù)

(2)其他材料相關(guān)參數(shù)

地下連續(xù)墻厚度1米，采用混凝土澆筑，抗拔樁樁長14.3米，樁徑0.8米，采用混凝土澆筑，和地連墻同時在初始應(yīng)力場加入模型。主體結(jié)構(gòu)用采用C50強(qiáng)度混凝土，鋼筋采用HPB300和HRB400級鋼筋，所有結(jié)構(gòu)均設(shè)置為各向同性彈性模型(Elastic)，具體參數(shù)見表2。

又是一年端午節(jié)，蔣海峰從上海回來，跟父親蔣浩德一起到水家提親。那天，水仙芝到河邊散步去了，帶著那本《伊豆的舞女》。

表2　材料相關(guān)參數(shù)

圖1　整體計算模型圖

圖2　開挖完成后基坑模型圖

1.4數(shù)值模擬過程

施工工序設(shè)置如下：

(1)工序一：建立模型，施加重力荷載和初始荷載，得到初始應(yīng)力場。加入地連墻和抗拔樁，并在初始應(yīng)力場的作用下穩(wěn)定，加入冠梁

(2)工序二：開挖第一層覆土3m，并加入第一道混凝土支撐，同時施加施工荷載。

(3)工序三：開挖第二層粘土5.4m，加入第二道剛性支撐，同時施加施工荷載。

(4)工序四：開挖第三層粘土4.8m,加入第三道剛性支撐，同時施加施工荷載。

(5)工序五：開挖第四層粉土4.75m，加入第四道剛性支撐，同時施加施工荷載。

(6)工序六：開挖第五層粉土1.55m,加入第

(7)工序七：開挖至坑底，加入底板。

按照上述工序進(jìn)行施工模擬計算，得出計算結(jié)果。

2Midas數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1抗拔樁的豎直沉降分析

(1)隨著開挖的進(jìn)行，土體產(chǎn)生擾動，出現(xiàn)不同程度的位移，其中最大隆起值出現(xiàn)在坑底中部位置。

(2)根據(jù)計算結(jié)果圖3可知在開挖剛開始的時，樁的浮動在2mm左右，隨著基坑的開挖進(jìn)行，基坑鋼支撐的加入，緩解了抗拔樁的受力，但是抗拔樁的相對位移也是在增加，由圖4可看出，當(dāng)基坑開挖至坑底并加上底板時，抗拔樁的相對浮動達(dá)到最大值。

(3)由圖5可得出樁頂?shù)纳细≈得黠@大于樁底的相對上浮值，樁頂?shù)淖畲笙鄬ι细≈悼梢赃_(dá)到19mm。

(4)由于荷載的變化導(dǎo)致樁的承載力變化，從而引起的樁的拉伸，我們也可以用來預(yù)估一定荷載水平的抗拔樁的極限承載力[6-8]

(5)由圖6得出模型條件下計算出來沉降大致符合實(shí)際的沉降規(guī)律，與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差控制在最大5mm。

圖3　開挖第一層覆土?xí)r抗拔樁沉降圖

圖4　開挖至坑底時抗拔樁沉降圖

圖5　樁不同位置處豎向位移曲線

圖6　樁頂點(diǎn)處計算值與實(shí)測值對比圖

2.2抗拔樁側(cè)向位移

由于抗拔樁打入土體中，與土體直接接觸，所以其整體的側(cè)向水平位移較小。由圖7可知，在工況一中水平位移為0，此時為初始值，在開挖一中，逐漸產(chǎn)生水平位移達(dá)到0.6mm左右，工況二較工況一有所增加，達(dá)到0.7mm，并且隨著深度的增加水平位移量出現(xiàn)先增后減的情況，在工況三和工況四中，出現(xiàn)由少增多沒有遞減的情況。

圖7　抗拔樁水平位移曲線

2.3抗拔軸力分析

抗拔樁在施工過程中的軸力變化隨著開挖深度的加深呈現(xiàn)一定的規(guī)律，由于開挖的加深，摩擦力的影響主要是抗浮和拉伸，而軸力，開挖卸載造成的土體回彈可能引起較大的抗拔樁軸向應(yīng)力，由圖8可以得出，抗拔樁在開挖的過程中軸力是不斷的變化，隨著開挖深度的加大，軸力也隨之加大，樁身軸向應(yīng)力最大可達(dá)到356KN，位于樁距底板最近處，樁身軸向應(yīng)力最小約79KN，在樁底處，在抗拔樁的設(shè)計中應(yīng)充分考慮初始軸應(yīng)力的存在，由于本模型在計算中為了方便采取位移清零，所以初始軸力沒有計算在內(nèi)[9-10]。在開挖過程中,抗拔樁的受力機(jī)制是樁身受到回彈土的摩擦力上抬，同時樁身收到周圍土體向下的約束阻力相互平衡制約。隨著基坑開挖的進(jìn)行，摩擦力的變化，從上而下軸力不斷減小，而在不同的工序中，軸力是在不斷的變大，這是由于隨著施工的進(jìn)行，土體不斷的開挖，施工荷載也在不斷的添加，這時的摩擦力也是不斷的變大，因此軸力是呈增加的趨勢如圖9所示。此結(jié)果符合基本規(guī)律。

圖8　開挖至坑底時出現(xiàn)最大軸力圖

圖9　不同開挖步驟下軸力分析圖

3結(jié)論

本文結(jié)合合肥某地鐵車站的施工特點(diǎn)，通過Midas有限元分析軟件模擬地鐵車站明挖法基坑的施工過程，研究了抗拔樁的沉降特征和受力特點(diǎn)，得出如下結(jié)論：

(1)抗拔樁的豎直沉降隨著開挖深度的增加出現(xiàn)增長，其主要是上浮位移，最大上浮出現(xiàn)在施工最后一步開挖至坑底處。

(2)抗拔樁主要抵抗由于卸載的作用下土體的摩擦力產(chǎn)生的上浮力，其側(cè)向位移一般由于土體的擾動，隨著開挖深度的增加而增大。

(3)隨著開挖進(jìn)行，土體的卸載回彈，從而帶動基坑樁回彈，樁身上下部分別承受正、負(fù)摩擦力,并在樁身產(chǎn)生拉力，導(dǎo)致樁的軸力發(fā)生變化，基本規(guī)律是遞增，在樁身上部處得到最大軸力356KN。

(4)設(shè)計時應(yīng)考慮樁的初始軸力存在，并增加基坑開挖坑底土體回彈對樁作用。

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Numerical Simulation of Uplift Pile about Open Surface Method Construction Foundation Pit of HeFei Metro Station

CUI Jianhua, LIU Chuang

(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601)

Abstract:Foundation soil is in unloaded state during of foundation pit, It's changing stress characteristics of uplift pile and floor. This paper analyzes stress characteristics of uplift pile in Open surface method construction about Hefei metro station by Midas/GTS. It systematically researches the changes to bearing capacity of uplift pile foundation caused by excavating the foundation It also investigates the influence regulation of frictional force, bearing capacity and axial force from the depth, scope and construction progress of the excavation. It proposes some design and construction advices for the reference forsimilar projects in the future.

Key words:deep foundation; open surface method; uplift pile; numerical simulation

中圖分類號：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-8382(2016)01-006-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160102

作者簡介：崔建華(1963-)，女，副教授，主要研究方向?yàn)楣こ虜嗔蚜W(xué)及有限元計算理論。

基金項目：安徽省科技攻關(guān)計劃資助項目(1501041133)

收稿日期：2015-06-24