魏波
針對(duì)某地鐵車站深基坑實(shí)際情況,在建立計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,對(duì)鋼支撐滯后架設(shè)造成的影響進(jìn)行深入分析,以此為后續(xù)施工與監(jiān)測提供可靠的參考借鑒,起到保證施工安全的作用。
某地鐵車站工程深基坑總長約392m,其標(biāo)準(zhǔn)段開挖施工寬度在24m左右,挖深17m左右,基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻,墻深26m,嵌入基坑底部9m,以鋼支撐與鋼混支撐為內(nèi)支撐體系,首道支撐采用鋼混支撐,按8m的水平間距設(shè)置,另外兩道為鋼支撐,按3.5~4.0m的水平間距設(shè)置。該站結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工,于首道支撐施工完成且強(qiáng)度滿足要求后進(jìn)行開挖,其斷面的開挖順序?yàn)椋合乳_挖到地表下部4.5m,然后開挖到地表下部7.5m,再開挖到地表下部9.5m,設(shè)置第二道支撐;繼續(xù)開挖到地表下部11.5m、14.0m和16.0m,設(shè)置第三道支撐;最后開挖到基坑的底部。
為對(duì)各位置上的鋼支撐的滯后架設(shè)程度造成的影響進(jìn)行系統(tǒng)探究,找出滯后程度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩和變形與地表沉降之間的關(guān)系,需建立相應(yīng)的計(jì)算模型,采用數(shù)值模擬分析研究。
將以上地鐵車站的深基坑作為背景,構(gòu)建相應(yīng)的計(jì)算模型。該深基坑的挖深為17m,寬24m,寬度為挖深5倍,底部厚度為挖深3倍,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總長為26m,進(jìn)入深基坑底部9m,設(shè)置3道支撐體系,分別為鋼混支撐、鋼支撐×2,第一道處在地表下部1m,另外兩道分別處在地表下部7m與11.5m。
深基坑底層基巖為強(qiáng)風(fēng)化或微風(fēng)化花崗巖,選擇摩爾庫倫模型,它的物理力學(xué)參數(shù)如下表所示。
深基坑基巖主要物理力學(xué)參數(shù)
其它地層都選擇HSS模型,以地質(zhì)勘查成果為依據(jù),結(jié)合現(xiàn)有資料,經(jīng)假設(shè)獲得土體主要物理力學(xué)參數(shù)。
該深基坑所用圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地連墻,厚度800mm,用板單元進(jìn)行模擬,物理力學(xué)參數(shù):(1)軸向抗壓剛度為2.52×107kN;(2)抗彎剛度為1.34×106kNm2·m-1;(3)厚度為0.8m;(4)容重為24kN·m-3;(5)Poisson比為0.17。
第2、3道支撐分別和均出現(xiàn)滯后架設(shè)條件下的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在水平方向上發(fā)生的變形如圖1所示。伴隨鋼支撐架設(shè)的實(shí)際滯后程度不斷增大,深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生的水平變形明顯增加,變形的最大值產(chǎn)生位置還伴隨滯后程度增大顯著上移;無論架設(shè)是否滯后,水平變形都表現(xiàn)為中間比兩邊大,類似于鼓肚形。
圖1 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移
深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向變形和地表沉降之間的關(guān)系曲線如圖2所示。伴隨滯后程度不斷增加,沉降都明顯增大。地表沉降的最大值和水平變形的最大值具有相同的變化規(guī)律,即當(dāng)滯后程度完全相同時(shí),沉降最大值實(shí)際增長量比分別滯后略大;若滯后程度為5m,則分別滯后引起的沉降,其最大值的增長量等于正常施工50%;當(dāng)滯后程度完全相同時(shí),沉降最大值的增長量等于正常施工110%。
圖2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平方向變形和地表沉降之間的關(guān)系曲線
伴隨滯后程度不斷增加,深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩都明顯增大;若第三道支撐的架設(shè)有所滯后,則對(duì)深基坑進(jìn)行開挖施工時(shí),深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受前一道支撐的約束將增強(qiáng),使第二道支撐周圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向深基坑外部反向彎曲的現(xiàn)象,導(dǎo)致其負(fù)彎矩明顯增大,但若第二道支撐的架設(shè)也有一定滯后,則深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受約束作用將減弱,這一部位的負(fù)彎矩不大。
伴隨滯后程度增大,若第二道支撐的架設(shè)有所滯后,則它對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成的彎矩影響相對(duì)最小,由第三道支撐的滯后架設(shè)造成的影響居中,當(dāng)支撐都滯后時(shí),對(duì)彎矩造成的影響可以達(dá)到最大。當(dāng)滯后程度相同時(shí),第二和第三道支撐都滯后架設(shè)造成的彎矩增長大于分別滯后增長總和。當(dāng)滯后程度為5m時(shí),第二道支撐的架設(shè)有所滯后造成的彎矩增長等于正常施工23%左右,第三道支撐的架設(shè)有所滯后造成的彎矩增長等于正常施工67%左右,都滯后時(shí),彎矩增長等于正常施工的一倍。
將某采用內(nèi)撐式結(jié)構(gòu)的深基坑作為研究背景,以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展有限元分析,利用施工超挖厚度對(duì)支撐結(jié)構(gòu)架設(shè)的滯后程度予以表征,然后深入分析支撐結(jié)構(gòu)架設(shè)實(shí)際滯后程度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身和地表發(fā)生的沉降現(xiàn)象造成的影響。最后得出下列結(jié)論:
1.通過對(duì)工程實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析可以看出,對(duì)基坑的中間進(jìn)行開挖時(shí),支撐結(jié)構(gòu)滯后架設(shè)容易使深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在水平方向上的變形與地表沉降都明顯增加,導(dǎo)致基坑自身與周圍都受到不利影響,亟需加強(qiáng)監(jiān)測。
2.當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)架設(shè)的滯后程度相同時(shí),第二與第三道支撐結(jié)構(gòu)都滯后架設(shè)對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成的影響比分別滯后總和大,在實(shí)際施工過程中,應(yīng)防止兩道支撐結(jié)構(gòu)的架設(shè)都滯后。
3.當(dāng)?shù)诙c第三道支撐結(jié)構(gòu)的架設(shè)出現(xiàn)分別滯后時(shí),其對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成的影響大體相同,然而,若第三道支撐結(jié)構(gòu)的架設(shè)滯后,則其造成的影響比第二道大。若圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩過大,則會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂。基于此,與第二道支撐結(jié)構(gòu)相比,當(dāng)?shù)谌乐谓Y(jié)構(gòu)的架設(shè)出現(xiàn)滯后時(shí),更容易導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂。