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        地鐵車站深基坑變形監(jiān)測及FLAC3D模擬研究

        2016-12-28 03:09:22湖南省第二測繪院湖南長沙410119
        低碳世界 2016年24期
        關(guān)鍵詞:軸力圍護結(jié)構(gòu)深基坑

        肖 海(湖南省第二測繪院,湖南長沙410119)

        地鐵車站深基坑變形監(jiān)測及FLAC3D模擬研究

        肖 海(湖南省第二測繪院,湖南長沙410119)

        地鐵車站深基坑工程是地鐵修建過程中的關(guān)鍵工程,由于深基坑工程系統(tǒng)復雜,為避免工程事故的發(fā)生,基坑監(jiān)測工作顯得尤為重要。本文從深基坑的變形機理出發(fā),介紹了深基坑工程的特點、開挖變形機理,以及影響基坑變形的因素,并以長沙市地鐵車站深基坑變形監(jiān)測為例,進行了深基坑變形監(jiān)測及基于FLAC3D的模擬研究,以期為相關(guān)工程建設提供參考依據(jù)。

        地鐵車站;深基坑;變形監(jiān)測;模擬

        1 引言

        隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,城市地鐵建造正蓬勃發(fā)展。地鐵深基坑深埋于地下,其環(huán)境因素復雜,基坑工程本身的安全與穩(wěn)定存在威脅;且因土方開挖可能引起周圍地層移動而危及相鄰建筑物、地下管線及市政設施。為避免基坑系統(tǒng)設計施工中的事故發(fā)生,對深基坑的監(jiān)測工作顯得尤為重要。

        2 深基坑工程特點

        2.1 施工風險大

        在施工過程中,基坑工程通常為臨時性措施,因而在基坑工程設計計算時,其圍護體系中不必考慮地震等荷載?;庸こ叹哂械蛷姸取⑿∽冃?、低防滲、耐久性不長等特點,對安全儲備的要求較低;對利潤追求的最大化又可能導致投資不足,設計不合理,實際的安全儲備可能更小[1]。

        2.2 制約因素多

        工程當?shù)氐淖匀粭l件會對基坑工程產(chǎn)生巨大影響。在基坑工程的設計與施工過程中,必須全面掌握工程所處的自然地理、氣候氣象、水文、工程地質(zhì),弄清周圍自然環(huán)境與基坑開挖之間的關(guān)系及相互作用[1]。此外,基坑工程圍護結(jié)構(gòu)體系還受到相鄰的建筑物、地下構(gòu)筑物、地下管線等因素制約,這些因素甚至會成為基坑工程成敗與否的關(guān)鍵。

        2.3 計算理論不完善

        作為地下工程的基坑工程,作用在基坑圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力,既與樁體的水平位移大小、方向有關(guān),也與受力持續(xù)時間有關(guān)。目前,對基坑圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力進行設計與計算時,往往采用經(jīng)驗取值,或應用朗肯土壓力理論、庫侖土壓力理論,再根據(jù)工程實際進行經(jīng)驗修正。目前有關(guān)土壓力的理論還亟待完善,尤其是在地下水水位高時的工況條件下,各地制定的技術(shù)規(guī)程或規(guī)范還沒有統(tǒng)一[2]。

        2.4 環(huán)境效應復雜

        基坑工程的開挖與建設,勢必會改變基坑周圍地基中地下水的水位和應力場,引起周圍地基土體的失穩(wěn)與變形,直接影響臨近建筑物、地下構(gòu)筑物和地下管線等工程設施[2]。工程施工過程中產(chǎn)生的粉塵、噪音、泥漿、渣土等也會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響,因此必須考慮基坑工程的環(huán)境效應[3]。

        2.5 知識經(jīng)驗要求高

        基坑工程集巖土工程與結(jié)構(gòu)工程于一體,基坑工程的設計和施工緊密相連,這就要求所有從業(yè)人員須同時具備施工和設計方面的理論知識,需要設計施工人員具有豐富的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。

        3 基坑開挖變形機理

        基坑圍護結(jié)構(gòu)和基坑土體失穩(wěn)變形的原因一般有兩種:

        (1)基坑開挖過程中,土體自身的重力在不斷發(fā)生變化,使原有的應力平衡狀態(tài)在土中的滲流力或鄰近打樁施工擾力等外界力作用下遭到破壞[3]。

        (2)土的抗剪強度受控于氣候等外界因素影響,這些外界因素會導致土的原有內(nèi)在結(jié)構(gòu)被改變,造成土的抗剪強度降低。各種人類活動的干擾,也促使土體原有的力學平衡被打破,從而引起基坑圍護墻體的水平或豎向變形、基坑底部隆沉、以及基坑周圍地表、建筑物及附屬設施的沉降等變形現(xiàn)象[4]。

        4 影響基坑變形的因素

        按照屬性的不同,影響基坑變形的因素可分為三大類[5]:

        第一類——固有因素。即現(xiàn)場的水文地質(zhì)條件及周邊的環(huán)境條件,如土體的強度、地下水位、坑邊構(gòu)筑物、高層建筑和超載等。

        第二類——與設計相關(guān)的因素。即圍護結(jié)構(gòu)的特征、開挖尺寸、支撐預應力、地基加固設計,如墻體剛度、支撐剛度、插入深度、基坑尺寸、支撐預應力大小以及地基加固方法等。

        第三類——與施工相關(guān)的因素。即施工方法、施工周期及施工人員水平等。

        5 工程應用及分析

        5.1 工程概況

        本研究選取長沙市地鐵1號線南門口站作為監(jiān)測對象。南門口站址位于城南路與黃興南路交叉口,所在地段是長沙市最為繁華的商業(yè)區(qū)域。南門口站為地下二層島式站臺車站,總長168.72m,標準段外包寬20.2m,車站四個象限共設有4個出入口、2組共8個風亭。主體結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度為3.10~4.26m,車站中心里程處頂板覆土厚度約3.2m,底板埋深約17.3m,車站采用明挖法、局部采用蓋挖法施工。車站主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu),圍護結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻,車站主體設全外包防水層。

        5.2 監(jiān)測內(nèi)容

        結(jié)合現(xiàn)場實際情況,監(jiān)控量測由兩部分組成,即:基坑內(nèi)部監(jiān)測和周圍環(huán)境監(jiān)測(見表1)。其主要目的是掌握車站基坑在施工過程中基坑及周圍環(huán)境的變形。

        表1 施工監(jiān)測項目及精度要求

        5.3 FLAC3D深基坑開挖模擬5.3.1基本假設

        結(jié)合基坑實際施工情況,作以下假設:

        (1)模擬區(qū)域土體為各向同性且均勻的彈塑性體;

        (2)開挖前不考慮土體的應力和性狀,此時土體在自重狀態(tài)下呈固結(jié)狀態(tài);

        (3)模擬過程中不考慮降水及滲流,不考慮地表附加荷載影響。

        5.3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

        研究選取南門口站擴大端和標準段的一段基坑作為仿真對象,模擬范圍為90m×60m×44m的區(qū)域,共劃分網(wǎng)格單元54530個,共計59640個網(wǎng)格節(jié)點。模型前后邊界施加x方向的水平約束,左右邊界施加y方向的水平約束,底面施加z方向的豎向約束。

        5.3.3 參數(shù)選取與計算階段

        根據(jù)計算區(qū)域內(nèi)土體的物理力學性質(zhì),將部分性質(zhì)相近的土體合并,因而模擬區(qū)域土體被劃分為四類,即雜填土、粉質(zhì)粘土、卵石及泥巖(見表2)。參考巖土工程勘察報告及長沙地區(qū)規(guī)范及當?shù)毓こ探?jīng)驗可得:各層土體的力學計算參數(shù)如表2所示,地下連續(xù)墻以及鋼支撐等圍護結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)如表3所示。

        表2 各土體物理力學計算參數(shù)

        表3 圍護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

        5.3.4 模擬結(jié)果及分析

        (1)圍護結(jié)構(gòu)應力分析

        本研究通過FLAC3D軟件模擬了四個施工階段,即階段1——基坑開挖2m,階段2——基坑開挖8m,階段3——基坑開挖12m,階段4——基坑開挖至設計深度。

        圖1~2分別為各階段條件下連續(xù)墻最大、最小主應力分布圖。從圖1可見:基坑開挖與支撐交替進行,圍護結(jié)構(gòu)自身所受到的作用力在方向和大小上不斷變化,連續(xù)墻最大主應力都出現(xiàn)在基坑工程的底部?;娱_挖階段1,圍護結(jié)構(gòu)所受到的最大壓應力為0.34MPa,開挖至最底部后最大壓應力為1.6MPa;應力集中于基坑兩側(cè),且基坑角部附近應力集中最為顯著,說明基坑兩邊以及角部附近的空間作用最強(如圖1所示)。

        圖1 各階段條件下連續(xù)墻最大主應力分布圖(單位:MPa)

        從圖2可見:基坑開挖至最底部后,圍護結(jié)構(gòu)所受到的最大拉應力出現(xiàn)在基坑圍護結(jié)構(gòu)底部,其值約為0.35MPa?;娱_挖過程中,圍護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不斷發(fā)生變化,基坑開挖階段1,圍護結(jié)構(gòu)端部基坑外側(cè)由于沒有預先施加支撐而受拉,仍處于軟弱土層的基坑底部內(nèi)側(cè)則受拉,且以開挖面為界,開挖面以上基坑以內(nèi)側(cè)受拉為主,開挖面以下基坑以外側(cè)受拉為主(如圖2所示)。

        圖2 各階段條件下連續(xù)墻最小主應力分布圖(單位:MPa)

        (2)鋼支撐軸力分析

        通過仿真得到鋼支撐軸力的模擬結(jié)果,將其與對應實測資料進行比較得知:基坑擴大端與標準端兩處的鋼支撐軸力模擬結(jié)果與實測資料較接近,兩者的變化趨勢大致吻合,即鋼支撐軸力隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大 (見表4~5),其中個別差異較大。這是因為仿真模型中用梁單元與連續(xù)墻共節(jié)點之間的連接作用來突顯支撐結(jié)構(gòu),而現(xiàn)實工程中圓鋼管支撐與樁的相互作用是存在一定差異的,實際施工過程中支撐結(jié)構(gòu)會隨著時間的延長而應力發(fā)生松弛與損耗,且實測時沒有考慮溫度的影響。無論是實測資料還是模擬結(jié)果,都能發(fā)現(xiàn):基坑開挖整個過程中,擴大端和標準端兩處的鋼支撐軸力均未發(fā)生明顯突變,由此表明基坑開挖過程始終處于安全可控的狀態(tài)。

        表4 鋼支撐軸力實測值與模擬值的對比(擴大端)

        表5 鋼支撐軸力實測值與模擬值的對比(標準端)

        (3)圍護樁樁身位移分析

        圖3是仿真模擬得到的圍護結(jié)構(gòu)水平位移圖。從圖3上可以看出:基坑開挖整個過程中,靠近開挖面處的圍護樁樁身水平位移最大,并向基坑外側(cè)變形,其值由最初的0.8mm,逐漸增大至10mm(如圖3所示)。

        圖3 圍護結(jié)構(gòu)水平位移圖

        6 結(jié)論

        本文從深基坑的變形機理出發(fā),介紹深基坑工程的特點、開挖變形機理以及影響基坑變形的因素,通過研究得到:

        (1)基坑邊坡的位移趨勢和支護結(jié)構(gòu)的變形特性直接由圍護樁的樁體水平位移值反映,這是評價圍護結(jié)構(gòu)安全狀況的重要指標,且實測值均小于設計容許值,表明工程安全。

        (2)深基坑在開挖過程中,支護結(jié)構(gòu)由于兩側(cè)承受不同的土壓力而產(chǎn)生水平位移。

        (3)圍護樁變形最大的位置位于基坑開挖部分的中下部,而不在基坑頂部。由于鋼支撐的作用,對圍護樁的水平位移起到了重要的限制作用。圍護樁變形呈現(xiàn)出較強的空間效應,基坑中部的圍護結(jié)構(gòu)水平位移最大,越靠近基坑的角點,圍護結(jié)構(gòu)的水平位移越小。

        [1]陳忠漢,黃書秩,程麗萍.深基坑工程(第二版)[M].機械工業(yè)出版社,1999.

        [2]龔曉南,高有潮.深基坑工程設計施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

        [3]孫 凱,許振剛,劉庭金,等.深基坑的施工監(jiān)測及其數(shù)值模擬分析[J].巖石力學與工程學報,2004,23(2):293~298.

        [4]任建喜,高立新,劉 杰,等.深基坑變形規(guī)律現(xiàn)場監(jiān)測[J].西安科技大學學報,2008,28(3):445~449.

        [5]任建喜,馮曉光,劉 慧,等.地鐵車站深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律監(jiān)測研究[J].鐵道工程學報,2009,3:89~92.

        TU433

        A

        2095-2066(2016)24-0039-03

        2016-7-1

        肖 海(1981-),男,工程師,本科,主要從事國土資源調(diào)查、工程測量、不動產(chǎn)測量、地理信息數(shù)據(jù)處理等方面的工作。

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