王愛軍　胡建林　陳海銀　居尚威

摘 要

本文以南通地鐵1號(hào)線宏興站深基坑工程為研究背景，基于Plaxis2D 采用小應(yīng)變土體硬化（HSS）模型對(duì)車站基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合車站基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了HSS模型在南通地區(qū)的適用性。對(duì)南通地區(qū)后續(xù)地鐵車站深基坑設(shè)計(jì)、施工有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞

地鐵車站;基坑變形;Plaxis2D;HSS模型

中圖分類號(hào)： U231.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.063

0 引言

地鐵車站深基坑開挖引起周邊地表沉降變形問題越來(lái)越受到人們的重視。為了保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性和周邊環(huán)境安全，需要預(yù)測(cè)分析深基坑變形規(guī)律，以便更好地控制基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響。通過基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的分析方法已成為目前基坑開挖變形分析的常用方法。而數(shù)值分析方法的關(guān)鍵在于選取合適的土體本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)。大量的工程實(shí)踐表明[1-3]，在基坑開挖施工過程中，除了少部分土層會(huì)發(fā)生塑性變形外，絕大部分區(qū)域處于小應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)，土體應(yīng)變?cè)?.01%～0.1%之間。研究表明，在小應(yīng)變應(yīng)力狀態(tài)下，土體會(huì)表現(xiàn)出高剛度，明顯的非線性，各向異性，屈服連續(xù)性和結(jié)構(gòu)性等變形特點(diǎn)。土體硬化小應(yīng)變模型條件下模擬的地層沉降情況更符合工程實(shí)際情況。各地對(duì)HSS模型應(yīng)用于基坑變形和基坑施工對(duì)周邊環(huán)境管線影響分析的適用性進(jìn)行了有益探索[4-7]。對(duì)于南通地鐵車站基坑的變形規(guī)律，尚缺乏認(rèn)識(shí)。

本文在南通地鐵宏興路站地層相關(guān)參數(shù)基礎(chǔ)上，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和PLAXIS參考手冊(cè)參數(shù)確定小應(yīng)變參數(shù)，再結(jié)合車站基坑開挖實(shí)際工況，利用有限元軟件Plaxis，模擬基坑開挖過程，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型適用性。為后續(xù)地鐵車站設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基坑概況

表1 基坑施工工況

宏興路站為11m島式站臺(tái)地下二層車站，車站凈長(zhǎng)202m，凈寬19.7m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度為16.7m，端頭井基坑開挖深度為18.5m。車站標(biāo)準(zhǔn)段地下墻深30.3m，插入比約0.80;端頭井地下墻深34.7m，插入比約0.85;標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)置四道支撐，端頭井段設(shè)置四道支撐+一道換撐;其中第一道為混凝土支撐，其余均為鋼支撐。地鐵車站基坑工程的施工工況如表1所示。

1.2 工程地質(zhì)

本車站基坑坑底位于3-2層粉砂中，開挖深度內(nèi)以粉土、粉砂為主，依次為1層填土、2層粉砂夾砂質(zhì)黏土、3-1層粉砂夾砂質(zhì)黏土、3-2層粉砂;開挖面以下依次為4-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，4-1t粉砂夾黏質(zhì)粉土、4-2層粉質(zhì)黏土夾砂質(zhì)粉土、5-1粉砂夾黏質(zhì)粉土、6層粉質(zhì)黏土。標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井地下墻墻趾均插入4-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，詳見圖1。土體物理特性參數(shù)，詳見表2。

2 基坑開挖數(shù)值模擬

2.1 本構(gòu)模型

采用大型巖土工程有限元軟件PLAXIS 2D對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算分析，由于本研究區(qū)域土層缺乏土體小應(yīng)變?cè)囼?yàn)參數(shù)，計(jì)算模型中小應(yīng)變參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)和PLAXIS參考手冊(cè)參數(shù)采用下表數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，詳見表3。本文選取車站一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷面建立平面應(yīng)變模型來(lái)計(jì)算分析整個(gè)基坑開挖過程，計(jì)算模型詳見圖2。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

從圖3、圖4中地下連續(xù)墻的側(cè)向變形和地表沉降情況來(lái)看，變形趨勢(shì)與理論結(jié)果及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)基本吻合，說明本文中數(shù)值計(jì)算部分的模型的建立及參數(shù)的選取基本正確。

3 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 地下連續(xù)墻側(cè)向變形對(duì)比分析

圖5、圖6和圖7分別給出了工況3開挖過程中墻體變形的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比。通過實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比可知，墻體水平位移的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的分布規(guī)律基本一致，墻體變形形態(tài)均為向坑內(nèi)的鼓肚形。

隨著基坑的向下開挖，墻體的變形逐漸增大，最大變形位置逐漸下移，基本處于每層開挖面以下附近。開挖到坑底，墻體最大變形的有限元計(jì)算值為42.4mm，約為0.25%H，實(shí)測(cè)值為 27.1mm，約為0.16%H，H 為基坑開挖深度。計(jì)算值稍大于實(shí)測(cè)值，兩者相差為0.09% 。分析表明，有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)墻體變形規(guī)律相同，吻合得較好。

3.2 地表沉降對(duì)比分析

本文在建模過程中考慮墻后土體，通過計(jì)算給出了墻后地表的變形值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，如圖8所示。由此可知，墻后地表沉降的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的分布規(guī)律基本一致，沉降形態(tài)為勺形。隨著基坑土體的開挖，地表沉降逐漸增大。開挖到坑底，地表最大沉降的計(jì)算值為27.2mm，約為0.16%H，H為基坑開挖深度，位置距墻邊15.8m，0.95H;實(shí)測(cè)值為17.5mm，約為 0.1%H，位置距墻邊9.46m，0.57H。計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本一致。

4 結(jié)論

通過對(duì)南通地鐵1號(hào)線集成村站深基坑的數(shù)值模擬，對(duì)深基坑開挖變形特性進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

采用HSS本構(gòu)模型對(duì)基坑工程進(jìn)行了數(shù)值分析，并將計(jì)算的成果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，兩者較為接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了HSS本構(gòu)模型在南通地區(qū)的適用性。

在基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻的水平位移曲線呈現(xiàn)凸向坑內(nèi)的鼓肚形;隨著基坑開挖變形逐漸增大，最大位移發(fā)生在開挖面附近，最大位移值0.16%H。

墻后地表沉降呈現(xiàn)為凹勺形，沉降值隨著開挖深度逐漸增大，最大沉降位置距坑邊0.57H倍開挖深度左右，最大沉降值0.16%H。

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