陳水梅，蘭國冠，劉明松

(龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012)

基于有限差分法的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

陳水梅，蘭國冠，劉明松

(龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖 364012)

針對基坑開挖過程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定性問題，基于有限差分?jǐn)?shù)值方法，以合肥地鐵大東門車站為研究對象，分析了基坑開挖過程中深基坑土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況.研究表明：隨著深度的加大，地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形不斷增大，墻體向基坑內(nèi)不斷發(fā)展變形，形態(tài)上呈凸肚狀；基坑開挖過程中最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)力差均在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，最大剪應(yīng)力和塑性區(qū)主要分布在基坑的底部和周邊地表；基坑交界處的樁軸力較大，并且軸力變化曲線呈折線形.

地鐵車站；深基坑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；FLAC 3D；地下連續(xù)墻

0 引 言

地下空間是城市可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源，對地下空間的開發(fā)利用是解決當(dāng)前城市資源和環(huán)境危機(jī)的有效措施之一.地鐵作為地下空間最常見的地下交通系統(tǒng)的一部分，其車站的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究是城市地下交通系統(tǒng)建設(shè)中面臨的重要課題之一.目前，深大基坑支護(hù)已成為大型地鐵車站建造面臨的重要問題，只有安全合理的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地鐵車站等大型地下空間開挖施工才具有可行性[1-3].目前，對地鐵車站深基坑工程的研究主要集中在3個方面，即，基坑自身穩(wěn)定性問題、圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題和土體的變形問題[4-8].此外，還涉及更廣的環(huán)境和土壓力理論等方面問題，而在數(shù)值模擬計算中還涉及到開挖應(yīng)力下的巖土體本構(gòu)關(guān)系問題.對此，本研究運用有限差分原理，對合肥地鐵大東門站與新交通大廈深大基坑的開挖與支護(hù)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，據(jù)此分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、基坑開挖土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律等.

1 工程概況與建模分析

1.1 工程概況及施工方案設(shè)計

1.1.1 工程概況.

作為研究對象的地鐵車站為合肥地鐵1號線與2號線換乘車站，四周現(xiàn)有建筑物林立，建筑物距離車站主體最近處僅為5 m.工程施工過程中，若圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移或土體坍塌，會對已有建筑的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，并且會引起基坑土體變形及地面沉降.此外，周邊建筑物對相鄰一側(cè)基坑側(cè)壁產(chǎn)生的附加荷載增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并給工程施工帶來影響.

1.1.2 工程施工方案設(shè)計.

1)工程基坑平面及樁體布置如圖1所示.根據(jù)工程設(shè)計方案，地鐵車站主體及部分附屬結(jié)構(gòu)擬采用明挖施工，車站結(jié)構(gòu)底板埋深約為32 m，埋置標(biāo)高約為-16.5 m.遠(yuǎn)期二號線車站結(jié)構(gòu)底板埋深約為26 m，埋置標(biāo)高約為-10.5 m.車站主體結(jié)構(gòu)支護(hù)采用地下連續(xù)墻支護(hù)型式，風(fēng)道與主體連接處采用高壓旋噴加固，2號線的圣大國際酒店附近采用旋噴樁加固.車站基坑主體結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻止水結(jié)合坑內(nèi)降水的方式處理地下水，此方案要求施工前先進(jìn)行坑內(nèi)降水，且施工過程中坑內(nèi)水位保持在車站底板2 m以下.

圖1基坑平面及樁體布置圖

2)新交通大廈樁位布置如圖2所示.根據(jù)工程施工方案，基坑采用逆作法施工.在不影響計算精度要求下，本基坑擬分為6步進(jìn)行模擬開挖，開挖工況及步驟如表1所示.

注：視圖中樁徑放大2倍

1.2 模型建立

考慮到模型的復(fù)雜性與計算結(jié)果的精確度，本研究在模型離散過程中采用加密單元方法對樓板、地下連續(xù)墻、開挖土體及其周邊巖土體進(jìn)行了單元加密處理，離散后的計算模型如圖3所示，其中圖3(b)為計算模型過樁1沿1號線主體基坑軸線剖面圖.

模型坐標(biāo)原點取在1號樁中心點，地表z=0，模型X軸方向(垂直1號線主體基坑軸線)為390 m，Y軸方向(平行1號線主體基坑軸線)300 m，Z軸方向(垂直向上)長100 m，即模型尺寸390 m×300 m×100 m.土層、地下連續(xù)墻、頂樓板、中間板、底板均采用實體單元，實體單元采用四面體單元，離散后的單元數(shù)為297 495個，節(jié)點數(shù)為51 250個.

圖3離散后的計算模型

1.3 初始應(yīng)力場及邊界條件

地下工程開挖引起的土體應(yīng)力、位移變化是在原來土體初始應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的，原始巖體應(yīng)力直接關(guān)系到計算結(jié)果的可靠性.假定巖體為均質(zhì)、連續(xù)的各項同性體，模型加載的初始應(yīng)力場為自重應(yīng)力場，則應(yīng)力計算公式為，

σz=γ·H

(1)

(2)

式中，μ為泊松比；H為巖體至地表的距離，m；γ為上覆巖層容重，N/m3；σx、σy、σz分別為X、Y、Z方向的自重應(yīng)力場，MPa.

此外，基坑開挖過程中，土體還受到周邊建筑物的偏壓作用，模擬計算過程中建筑偏壓均按均布荷載作用到地表相應(yīng)位置，在充分考慮邊界效應(yīng)的情況下，模型四周及底面的約束設(shè)定為滾支承約束.

1.4 計算參數(shù)選取

現(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn)，基坑范圍內(nèi)主要土層為，粉質(zhì)黏土填土①層、雜填土①1層、黏土②層、粉質(zhì)黏土②1層、粉土②2層、粉細(xì)砂②3層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土②4層.工程的支撐體系采用鉆孔灌注樁，止水帷幕為高壓旋噴樁，另外再設(shè)置內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)支護(hù)體系.出入口等埋深較淺部位根據(jù)具體情況采用相應(yīng)的邊坡支護(hù)措施.

根據(jù)巖土工程勘察報告，該工程地層綜合歸并為雜填土、粉質(zhì)黏土、砂土和風(fēng)化巖4種.故在計算時，模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，其基本力學(xué)參數(shù)如表2所示，其中，土體彈性模量按經(jīng)驗取壓縮模量的3倍，泊松比由土體側(cè)壓系數(shù)反算.地下連續(xù)墻、板底板及中間板均采用C30混凝土，各種樁體采用C35混凝土，本構(gòu)模型均采用線彈性模型.

表2 模型計算基本力學(xué)參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

2.1 地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形影響

根據(jù)模擬設(shè)計方案，本研究對合肥市地鐵1號線、2號線交匯車站—大東門地鐵站偏壓環(huán)境下的深大基坑開挖施工過程及開挖引起土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了模擬計算.限于篇幅，本研究重點分析不同工況(見表1)下，新交通大廈地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)中監(jiān)控點1和3及結(jié)構(gòu)周邊土體施工力學(xué)變形行為(見圖4).

圖4新交通大廈地連墻監(jiān)測點布置示意圖

監(jiān)控點1、3在各工況下沿墻體埋深的水平位移變化規(guī)律曲線如圖5所示.

由圖5可知，基坑開挖施工對周圍建(筑)物產(chǎn)生擾動，使土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑樁體等產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力.隨著深度的加大，地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形不斷增大，墻體向基坑內(nèi)不斷發(fā)展變形，形態(tài)上呈凸肚狀.受周邊建筑附加偏壓環(huán)境的影響，凸肚略低于開挖坑底標(biāo)高，并隨開挖深度的加大，凸肚逐漸向下移動.同時，由于監(jiān)測點1、3緊挨著基坑，相對應(yīng)的地下連續(xù)墻的水平位移凸肚狀比另外不挨基坑兩側(cè)的更明顯.這是因為靠近基坑兩排地下連續(xù)墻兩側(cè)均有基坑開挖，故在兩側(cè)有開挖部分因兩側(cè)荷載同時卸下而位移不大.圍護(hù)結(jié)構(gòu)各個埋深的整體位移隨開挖的進(jìn)行不斷增大.

圖5各工況下交通大廈地下連續(xù)墻監(jiān)測點沿埋深水平位移曲線

表3列出了地下連續(xù)墻監(jiān)控點各工況最大水平位移，圖6所示為地下連續(xù)墻監(jiān)控點各工況最大水平位移關(guān)系曲線.

表3 地下連續(xù)墻監(jiān)控點各工況下最大水平位移

從圖6可知，監(jiān)控點1處的位移以X軸方向位移為主導(dǎo)，最大合位移與Ux位移表現(xiàn)一致，而監(jiān)控點3處的位移以Y軸方向為主導(dǎo)，最大合位移與Uy位移表現(xiàn)一致.聯(lián)系表3可知，監(jiān)控點最終最大位移分別為：監(jiān)控點1處為6.393 mm，監(jiān)控點3處為10.802 mm.

該工程的基坑地表沉降位移等值云圖如圖7所示.在工況6下，該工程基坑地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)3D剖面視圖的位移等值云圖如圖8所示.

圖6地連墻監(jiān)控點各工況最大水平位移關(guān)系曲線

圖7工程地表沉降位移等值云圖

由圖7可知，地鐵車站與新交通大廈基坑開挖時地表的位移表現(xiàn)為基坑底部地表隆起，基坑周圍地表產(chǎn)生沉降，遠(yuǎn)離基坑周圍的地表沉降很小，與Peck理論里的地表沉降曲線表現(xiàn)一致.

圖8工況6下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移等值云圖

由圖8可知，基坑開挖對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移會產(chǎn)生影響，其中3個基坑相互影響處的地下連續(xù)墻位移最大.

2.2 土體和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)模擬設(shè)計方案，本研究對該工程在偏壓環(huán)境下的基坑開挖施工過程及開挖引起土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了模擬計算.在開挖工況6下，基坑土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力與最大主應(yīng)力差等值云圖如圖9、圖10所示.

圖9最大主應(yīng)力等值云圖

圖10最大主應(yīng)力差等值云圖

由圖9、圖10可知，基坑開挖過程中最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)力差均在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，尤其拐角處位置.

基坑在各開挖工況下剖面2的剪應(yīng)力等值云圖如圖11所示.

圖11各開挖工況下剖面2的剪應(yīng)力等值云圖

由圖11可知，基坑開挖過程中剪應(yīng)力分布廣，最大剪應(yīng)力主要分布在基坑開挖的底部和基坑周邊地表.正是因為剪應(yīng)力的存在，基坑底部土體產(chǎn)生隆起，基坑周圍土體產(chǎn)生沉降.此外，地下連續(xù)墻沿墻體縱向附近剪應(yīng)力較大，這是由于地下連續(xù)墻深入土體所產(chǎn)生的反作用力所致.

基坑在開挖工況6下塑性區(qū)分布圖如圖12所示.

圖12開挖工況6下塑性區(qū)分布圖

由圖12可知，基坑開挖過程中，土體塑性區(qū)主要分布在基坑底部、基坑周圍地表和圍護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底部附近.這就可以很好地解釋基坑開挖過程中，土體主要變形呈現(xiàn)出，基底土體隆起、基坑地表土體沉降和樁底拔起等現(xiàn)象.

2.3 開挖過程中樁體軸力分析

本研究共模擬計算了409個樁體在不同工況開挖下的樁體軸力.限于篇幅，在此僅抽取323、319、403、409號4個樁體的樁軸力統(tǒng)計結(jié)果(見圖13)加以分析.

圖13不同開挖工況下樁軸力隨埋深分布曲線圖

由圖13可知，該地鐵車站基坑和新交通大廈基坑交界處的樁軸力都比較大，并且軸力變化曲線呈折線形.而在新交通大廈另外兩側(cè)的樁基在開挖第一個工況下軸力值較交界處的大，但最終基坑開挖完成后的軸力最大值與軸力交界處相仿，而未與地鐵車站基坑相鄰的樁軸力變化曲線呈拋物線形.這是因為基坑開挖完成后，上覆土體的移去使得樁周中的土體有效應(yīng)力減小，樁側(cè)摩阻力減小，導(dǎo)致立柱樁的承載力降低.同時由于回彈的作用，樁周存在側(cè)摩阻力，雖然側(cè)摩阻力的正負(fù)和相等，不會影響樁的承載力，但會影響樁周側(cè)摩阻力的發(fā)展趨勢，從而影響樁的剛度.坑內(nèi)土體應(yīng)力釋放而回彈帶動樁上移，樁身上部承受向上的正摩阻力作用，即上拔荷載，樁被抬升，而樁身下部阻止樁的上移，對樁產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力.

3 結(jié) 論

本研究對地鐵基坑開挖過程對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形影響進(jìn)行深入探討，分析了基坑開挖過程不同工況下地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形，基坑周圍土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化，地層沉降的變化規(guī)律.結(jié)果表明：基坑開挖施工對周圍建(筑)物產(chǎn)生擾動，使土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑樁體等產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力；隨著深度的加大，地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形不斷增大，墻體向基坑內(nèi)不斷發(fā)展變形，形態(tài)上呈凸肚狀.受周邊建筑附加偏壓環(huán)境的影響，凸肚略低于開挖坑底標(biāo)高，并隨開挖深度的加大，凸肚逐漸向下移動；地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)離地鐵車站基坑兩側(cè)的最終合位移比靠近地鐵車站兩側(cè)大得多；基坑開挖過程中最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)力差均在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上，尤其拐角處位置，而最大剪應(yīng)力和塑性區(qū)主要分布在基坑開挖的底部和基坑周邊地表，解釋了基坑開挖容易出現(xiàn)基底隆起、基坑周圍地表沉降及柱底拔起的現(xiàn)象；地鐵車站基坑和新交通大廈基坑交界處的樁軸力都比較大，并且軸力變化曲線呈折線形，而未與地鐵車站基坑相鄰的樁軸力變化曲線呈拋物線形.

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AnalysisofPitSupportStructureDeformationBasedonFiniteDifferenceMethod

CHENShuimei,LANGuoguan,LIUMingsong

(School of Resource Engineering, Longyan University of Technology, Longyan 364012, China)

Urban subway construction is now pretty popular in our country.The scale of transfer station expands and the depth of the pit increases.Therefore,the analysis of the stability of the pot support structure deformation during the deep excavation engineering is of great significance.Based on the Hefei Metro Dadongmen station,the numerical analysis method based on finite difference method is used to study the deformation characteristics and the internal force variation of surrounding soil and supporting structure.The research shows that with the increase of the depth,the horizontal deformation of diaphragm wall retaining structure increases,the deformation of the wall crossing to the foundation pit develops,and its deformation form shows a convex shape;the maximum principal stress and maximum principal stress difference appear around the retaining structure during excavation,and the shear stress and plastic zone distribute over the bottom and surrounding surface of excavation;the piles’ axial force is greater than that at the junction of two foundation pits,and the variation curves show a broken line form.

subway station;deep excavation;retaining structure;FLAC 3D;diaphragm wall

TU94+2

A

1004-5422(2017)04-0421-06

2017-09-26.

福建省教育廳自然科學(xué)基金(JA14305)資助項目.

陳水梅(1989 — )，女，碩士，從事巖土與地下結(jié)構(gòu)工程研究.