穆保崗 龔湘源 陶津 張勇

(1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京210096； 2.中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 杭州310004；3.中交二公局技術(shù)中心 西安710065)

引言

地鐵車(chē)站深基坑大多位于環(huán)境復(fù)雜的鬧市區(qū), 基坑呈狹長(zhǎng)型分布, 各段支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及受力不均、 變形又相互影響, 其空間分布不均勻性的特性客觀存在。 以往對(duì)基坑空間效應(yīng)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:

黃強(qiáng)[1], 楊雪強(qiáng)[2]等計(jì)算分析了基坑護(hù)坡樁的空間受力, 認(rèn)為基坑邊界的約束限制是可以利用的空間效應(yīng), 定量地描述其空間效應(yīng)可用空間效應(yīng)影響系數(shù), 并給出了空間效應(yīng)的影響范圍。Lee[3]研究確定基坑的長(zhǎng)深比、 軟土層深度、 支撐剛度等是影響空間效應(yīng)的主要因素。 Finno[4]模擬給出了坑角效應(yīng)的影響范圍。 張忠苗等[5]通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理發(fā)現(xiàn)基坑拐角處支撐軸力的實(shí)測(cè)值較大。 王洪新[6], 劉念武[7]等對(duì)尺寸效應(yīng)、 空間效應(yīng)的主要影響因素進(jìn)行了深入的討論。

本文結(jié)合工程實(shí)例, 用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析基坑的地表沉降、 地下連續(xù)墻水平位移、 支撐軸力等指標(biāo), 對(duì)狹長(zhǎng)形的地鐵車(chē)站深基坑采取兩種不同的開(kāi)挖方式進(jìn)行數(shù)值模擬分析。 在基坑三維空間效應(yīng)特征等方面進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比分析。

1 工程概況

以佛山地鐵2 號(hào)線某站為例, 該站基坑長(zhǎng)邊216m, 標(biāo)準(zhǔn)段全長(zhǎng)基坑開(kāi)挖深度16.89m, 寬度19.2m, 擴(kuò)大段FF 斷面基坑寬度24.0m, 基坑尺寸如圖1 所示。

圖1 基坑尺寸Fig.1 Dimension of foundation pit

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的形式,標(biāo)準(zhǔn)段全長(zhǎng)設(shè)置4 道支撐。 地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)參數(shù)為厚度800mm, 標(biāo)準(zhǔn)幅長(zhǎng)度6m； 第一道為混凝土支撐, 截面大小為800mm ×1000mm, 水平布置間距8m, 布置深度為地表下1.2m； 第二道為鋼支撐, 直徑800mm, 壁厚16mm, 水平布置間距4m, 布置深度為地下4.4m； 第三道為雙拼φ609mm 鋼支撐, 壁厚16mm, 水平布置間距為4m, 布置深度為地下8.2m； 第四道為局部雙拼φ609mm 鋼支撐, 壁厚16mm, 水平間距4m, 布置深度為地下12.2m。

針對(duì)依托工程, 利用對(duì)稱(chēng)性選取地表沉降、地下連續(xù)墻水平位移、 軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)有序編號(hào)后進(jìn)行分析, 如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Distribution of site monitoring point

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 地表沉降

選取基坑6 個(gè)位置的典型斷面, 斷面AA、CC、 DD、 EE、 FF 為標(biāo)準(zhǔn)斷面, 布置了 3 排監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 斷面BB 為加密斷面, 布置了5 排監(jiān)測(cè)點(diǎn),前3 排間距和標(biāo)準(zhǔn)斷面相同, 監(jiān)測(cè)點(diǎn)到基坑邊緣的距離如圖2a 所示。 部分現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制曲線如圖3 所示。

圖3 實(shí)測(cè)地表沉降曲線Fig.3 Surface subsidence curve measured

最大地表沉降點(diǎn)表顯示是在DBC -03、 DBC-06、 DBC-17、 DBC -20 位置, 是第 3 排的點(diǎn)位, 均不在基坑邊緣。

標(biāo)準(zhǔn)段面的 AA、 BB、 CC、 DD 處地表變形量最大值較為接近, 量值范圍在55mm ～65mm之間； 而處于擴(kuò)大段的EE、 FF 斷面其沉降量最大值要小很多, 斷面EE 最大值為28mm, 斷面FF 最大值為11mm。

EE、 FF 斷面位于車(chē)站擴(kuò)大段, 部分原因是支撐剛度較大, 另外一個(gè)原因是基坑端部長(zhǎng)度B與基坑深度H的比值B/H＜5, 存在端部的空間效應(yīng)。

2.2 地下連續(xù)墻水平位移

分5 個(gè)工況對(duì)地下連續(xù)墻的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 工況一: 基坑開(kāi)挖至第1 道水平支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高并完成第1 道支撐的設(shè)置, 其余工況同理, 工況五表示開(kāi)挖到基坑坑底。 測(cè)點(diǎn)具體位置分布如圖2b 所示, 測(cè)點(diǎn) DLQ-01、 DLQ-03、 DLQ-07、DLQ-08 實(shí)測(cè)地下連續(xù)墻的位移如圖4 所示。

圖4 實(shí)測(cè)地連墻的水平位移Fig.4 Horizontal displacement of measured diaphragm wall

由圖4 可知: (1)測(cè)點(diǎn) DLQ -01、 DLQ -03、DLQ-07、 DLQ -08 曲線形狀特征比較類(lèi)似。 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形整體上呈現(xiàn)向坑內(nèi)的撓曲特征, 隨著第一道撐到第四道撐施工, 曲線向右移動(dòng)顯示位移增大； 就單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言, 地下連續(xù)墻水平位移隨著深度的增加先增大后減小, 挖至坑底時(shí)最大值約為14mm ～31mm。 隨著基坑深度的增加, 地下連續(xù)墻水平位移值最大點(diǎn)所處的位置也隨之下移, 開(kāi)挖至坑底時(shí), 最大位移點(diǎn)維持在10m ～11m, 深度位置約為基坑開(kāi)挖深度的2/3。(2)地連墻變形的空間效應(yīng)有所體現(xiàn)。 測(cè)點(diǎn)DLQ-01 地下連續(xù)墻水平位移最大值約為31mm,比測(cè)點(diǎn)DLQ-07 大10mm 左右。 可見(jiàn)狹長(zhǎng)型地鐵車(chē)站基坑中, 地下連續(xù)墻水平位移在縱向存在空間分布不均勻現(xiàn)象。

2.3 內(nèi)支撐軸力

選擇6 個(gè)典型斷面, 每個(gè)斷面均為4 層支撐, 軸力測(cè)試點(diǎn)平面位置編號(hào)分布如圖2c 所示。編號(hào)規(guī)則以測(cè)點(diǎn)ZL -02 為例, 第1 層～第4 層內(nèi)支撐軸力分別為2 -1、 2 -2、 2 -3 和2 -4,其他依此類(lèi)推。 工況一到工況五開(kāi)挖情況與2.2節(jié)相同。 測(cè)點(diǎn)ZL-06 為沿FF 方向兩側(cè)斜撐軸力之和, 即圖2c 上兩個(gè)斜撐軸力沿FF 虛線之和。

1.不同斷面軸力

整理 BB、 FF 斷面支撐軸力, 繪制曲線如圖5 所示。

總體來(lái)說(shuō), 支撐軸力隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而增大。 開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí), 第一層支撐軸力為700kN 到1200kN, 第二層支撐軸力為600kN到2200kN, 第三層支撐軸力為 1400kN 到2700kN, 第四層支撐軸力為500kN 到700kN, 以第三層內(nèi)支撐軸力最大。

圖5 反映了地鐵車(chē)站支撐軸力的分布特征,同一位置各層支撐軸力各不相等。 當(dāng)開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí), 第三層內(nèi)支撐軸力最大, 而第四層的支撐軸力最小。 這與地連墻水平位移沿深度上的分布特征有內(nèi)在聯(lián)系, 地下連續(xù)墻水平位移最大值標(biāo)高位置與第三層支撐的標(biāo)高位置是對(duì)應(yīng)的, 而FF 斷面的軸力總是大于BB 斷面。

2.不同層軸力

不同斷面前三層軸力曲線如圖6 所示, 第一層內(nèi)支撐軸力隨著基坑開(kāi)挖深度的增加先增大后減小或者趨于穩(wěn)定。

標(biāo)準(zhǔn)段AA - EE 斷面基坑寬度19.2m, 擴(kuò)大段FF 斷面基坑寬度24.0m。 對(duì)一到三層支撐而言, 每一層軸力分布中測(cè)點(diǎn)ZL-05 的支撐軸力總是最大, 測(cè)點(diǎn) ZL - 06 的支撐軸力位居第二。

第一層支撐軸力的先增后減的變化趨勢(shì)與地下連續(xù)墻頂水平位移變化的特點(diǎn)存在一定程度的關(guān)聯(lián)。 隨著開(kāi)挖深度的增加, 地下連續(xù)墻頂水平位移基本維持不變, 但地連墻中下部位移逐漸增大, 水平方向的剪力合力重心逐漸下移, 第一層混凝土內(nèi)支撐軸力因此減小。

同一高度各斷面的支撐在開(kāi)挖深度相同時(shí),間距相等而軸力大小不等, 體現(xiàn)了基坑支撐軸力在縱向分布上的空間效應(yīng)。 特別是測(cè)點(diǎn)ZL-05 位于基坑的陽(yáng)角處, 存在較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

當(dāng)支撐軸向壓縮變形相同時(shí),支撐剛度越大則軸力越大。 監(jiān)測(cè)結(jié)果中EE 斷面地下連續(xù)墻水平位移與標(biāo)準(zhǔn)斷面相比沒(méi)有明顯差異, 而支撐軸力卻顯示大了很多。 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)也正是考慮到這種空間效應(yīng)規(guī)律, EE 斷面的四層支撐都采用了鋼筋混凝土支撐。

圖5 各斷面測(cè)點(diǎn)內(nèi)支撐軸力曲線Fig.5 Axial force curve of the support in each section

圖6 各層測(cè)點(diǎn)內(nèi)支撐軸力曲線Fig.6 Support axis force curve in each layer

3 分步開(kāi)挖的數(shù)值模擬

3.1 土體硬化模型(HS)

采用PLAXIS3D 提供的能反映土體硬化特征的HS 模型。 該模型能夠同時(shí)考慮剪切和體積硬化, 實(shí)現(xiàn)所謂的雙硬化[8], 能更準(zhǔn)確地對(duì)復(fù)雜應(yīng)力路徑下發(fā)生的剪切和體積應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。

王海波[9], 王衛(wèi)東[10]指出為E1-2的 1 ～2倍,的 2 ～ 4 倍。 這里采用程序默認(rèn)的相應(yīng)土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)及取值Tab.1 Soil layer parameters and values

3.2 兩種開(kāi)挖方式數(shù)值模擬

基于佛山地鐵2 號(hào)線工程實(shí)際開(kāi)挖深度, 整體分層開(kāi)挖是將整個(gè)基坑面土體挖除, 依次將土體分層開(kāi)挖至基坑坑底, 共設(shè)置9 個(gè)分析步。 與分層開(kāi)挖深度相同, 分層、 分塊開(kāi)挖共設(shè)置了13個(gè)分析步, 分塊大小如圖7 所示。 兩種開(kāi)挖方式的具體分析步步驟見(jiàn)表2。

圖7 車(chē)站基坑板塊劃分Fig.7 Division map of the station foundation pit

表2 兩種開(kāi)挖方式的分析步步驟Tab.2 Step-by-step analysis of two excavation methods

一般認(rèn)為基坑開(kāi)挖的影響寬度為其開(kāi)挖深度的3 ～5 倍。 本文的數(shù)值模擬中將開(kāi)挖影響寬度和深度均取3 倍的設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度。

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性, 先將第二種開(kāi)挖方式的地連墻水平位移實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比, EE、 FF 斷面情況如圖8 所示。

圖8 分層、 分塊開(kāi)挖模擬與實(shí)測(cè)地連墻水平位移對(duì)比曲線Fig.8 Comparison of the horizontal displacement of the diaphragm wall between the measured and simulation of layered and block case

地下連續(xù)墻水平位移變形量數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值存在著差異, 但趨勢(shì)基本一致。 實(shí)測(cè)地下連續(xù)墻水平位移最大值約為18mm, 地下連續(xù)墻水平位移模擬最大值約為20mm。 但最大點(diǎn)位置存在區(qū)別, 前者的最大位置偏上2m ～3m, 差異存在的原因是數(shù)據(jù)整理時(shí)均假定地下連續(xù)墻底是理想嵌固點(diǎn), 水平位移及轉(zhuǎn)角為零。

為了在同一參照體系下增強(qiáng)對(duì)比度, 以下均采用數(shù)值模擬結(jié)果。

3.3 不同開(kāi)挖方案的變形量對(duì)比

1.地表沉降量

選取6 處典型斷面 AA、 BB、 CC、 DD、 EE和FF, 如圖1 所示。 取兩種開(kāi)挖方式中代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 地表沉降見(jiàn)圖9。

由圖9 可以看出: (1)在兩種開(kāi)挖方式下,地表沉降在基坑邊緣距離0m ～17m 范圍內(nèi)均呈現(xiàn)凹槽形分布特征, 隨著距離的增加先增后減,在距離基坑5m ～8m 時(shí)達(dá)到其最大值, 開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)達(dá)到最大值25mm ～36mm； (2)整體分層開(kāi)挖工況下, 標(biāo)準(zhǔn)段所屬各斷面地表沉降值差異不大, 但在同一開(kāi)挖深度時(shí)其最大值均比擴(kuò)大段大 6mm ～ 10mm, 如圖9a、 c、 e； (3) 分層、分塊開(kāi)挖各斷面在同一開(kāi)挖進(jìn)度下地表沉降量差異比較明顯, 最終工況下, 擴(kuò)大段的地表沉降量比標(biāo)準(zhǔn)段小5mm ～16mm, 如圖9b、 d、 f； (4)整體分層開(kāi)挖的地表沉降量在空間分布上的差異主要表現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)段和擴(kuò)大段之間。 相比之下, 空間效應(yīng)在分層、 分塊開(kāi)挖的工況下更為明顯。 在所有板塊均開(kāi)挖到基底之前, 由于第一板塊～第五板塊開(kāi)挖深度存在差異, 第一板塊～第五板塊相對(duì)應(yīng)的斷面 AA、 BB、 CC、 DD、 FF 之間地表沉降差異較為明顯。

圖9 地表沉降曲線Fig.9 Surface subsidence curve

2.墻體水平位移

圖10 和圖11 對(duì)比了兩種開(kāi)挖方式下基坑長(zhǎng)邊中部的AA 斷面和基坑短邊中部的GG 斷面地下連續(xù)墻水平位移曲線。 其水平位移曲線特征與實(shí)測(cè)值非常相似, 水平位移峰值均在開(kāi)挖深度約2/3 處, 與其他地區(qū)測(cè)試曲線也極具相似性。

圖10 分層整體開(kāi)挖地連墻水平位移曲線Fig.10 Horizontal displacement curve of wall in layered and whole excavated case

在相同條件下, 基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)(AA 斷面)地下連續(xù)墻水平位移要比短邊(GG)大, 當(dāng)挖至坑底時(shí), 兩斷面最大值差值約為16mm ～20mm, 約是短邊水平位移的1.6 倍, 這進(jìn)一步表明基坑地下連續(xù)墻水平位移分布也具有明顯的空間效應(yīng)。

最終狀態(tài)下, 分層分塊開(kāi)挖的水平位移峰值也明顯小于分層整體開(kāi)挖5mm ～10mm, 分層分塊開(kāi)挖更有利于空間效應(yīng)的發(fā)揮, 對(duì)控制變形更為有利。

圖11 分層、 分塊開(kāi)挖地連墻水平位移曲線Fig.11 Horizontal displacement curve of wall in layered and block case

4 結(jié)論

1.典型的狹長(zhǎng)形地鐵車(chē)站深基坑的開(kāi)挖過(guò)程具有空間分布差異較大的特征。 實(shí)測(cè)的地表沉降量、 地連墻水平位移均存在空間分布不均勻現(xiàn)象, 基坑中部的數(shù)值均比端頭區(qū)域要大。 內(nèi)支撐軸力最大值總是出現(xiàn)在上述二者的交界處。

2.數(shù)值模擬整體分層開(kāi)挖和分層、 分塊開(kāi)挖兩種開(kāi)挖方式, 采用分層、 分塊開(kāi)挖方案利用了空間效應(yīng), 有利于基坑的變形控制。