楊 波, 譚 勇,2, 徐長(zhǎng)杰

(1. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系, 上海 200092; 2. 同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200092; 3. 華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 江西 南昌 330013)

在軟土地層中進(jìn)行地鐵車站開(kāi)挖施工會(huì)引起周圍地層的變形,對(duì)周圍環(huán)境造成不利影響甚至帶來(lái)災(zāi)難性后果.在工程實(shí)踐中,常采用加固被動(dòng)區(qū)土體的方法,以增強(qiáng)土體強(qiáng)度及承載能力,達(dá)到控制基坑開(kāi)挖變形的目的[1-2].

陳興年等[3]對(duì)基坑加固形式進(jìn)行了分類,并分析了加固的變形控制原理和設(shè)計(jì)思路；賈堅(jiān)[4]分析歸納了土體加固技術(shù)在基坑開(kāi)挖工程中的應(yīng)用條件、工藝特點(diǎn)及加固設(shè)計(jì)形式；秦愛(ài)芳等[5]以卸荷試驗(yàn)為基礎(chǔ),通過(guò)室內(nèi)的土體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)探討了上海軟土地區(qū)基坑工程中坑底土體加固深度的問(wèn)題；蔣建平[6]基于平面數(shù)值模擬方法對(duì)坑底加固體的剛度效應(yīng)進(jìn)行了探討；熊春寶等[7]利用有限元軟件ABAQUS建立三維數(shù)值模型,研究了不同坑底加固措施對(duì)基坑變形的影響；屈若楓等[8]研究了基坑被動(dòng)區(qū)階梯式加固尺寸對(duì)樁位移的影響；朱志祥等[9]利用FLAC3D研究了基坑加固對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移以及地表沉降等的作用；康志軍等[10]利用二維有限元軟件PLAXIS研究了不同的土體加固方式對(duì)基坑變形的影響.本次在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展,對(duì)土體加固在狹長(zhǎng)形基坑中的三維空間作用進(jìn)行研究.

目前針對(duì)基坑坑底加固的有限元分析研究多集中于平面問(wèn)題的研究或是簡(jiǎn)單的三維問(wèn)題研究,而少有對(duì)坑底加固體的三維空間效應(yīng)進(jìn)行的研究.本次的創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)坑底加固的三維空間效應(yīng)進(jìn)行探討研究.運(yùn)用有限元軟件ABAQUS并結(jié)合工程實(shí)踐數(shù)據(jù),對(duì)上海軟土地區(qū)某地鐵車站基坑開(kāi)挖進(jìn)行三維建模數(shù)值模擬,分別對(duì)滿堂加固、墩式加固、裙邊加固、不同空間分布類型的抽條加固情況下的基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究不同加固模式對(duì)基坑開(kāi)挖變形的影響.

1 工程概況

研究對(duì)象為上海軟土地區(qū)某地鐵深基坑工程.該基坑平面尺寸為387 m×20 m,最大開(kāi)挖深度為16 m,基坑安全等級(jí)為一級(jí).基坑分為東、西兩段先后獨(dú)立開(kāi)挖,其中西段基坑長(zhǎng)102 m且先進(jìn)行開(kāi)挖,東段基坑長(zhǎng)285 m后進(jìn)行開(kāi)挖,東、西段基坑間設(shè)置鋼板樁進(jìn)行隔斷.基坑采用順作法施工并以地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu).地下連續(xù)墻厚1 m、深30 m,并由上至下設(shè)置1道混凝土支撐及3道鋼支撐,支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1.基坑橫向剖面圖如圖1所示.因西段基坑開(kāi)挖產(chǎn)生了較大的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移,故于東段基坑最終開(kāi)挖面以下設(shè)置9處土體抽條加固段進(jìn)行加強(qiáng),且東段基坑分為2、3兩段先后獨(dú)立開(kāi)挖.重點(diǎn)關(guān)注東段基坑,其平面圖如圖2所示.

表1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Designed parameters for supporting structure

2 有限元模型

根據(jù)此地鐵車站東段基坑進(jìn)行有限元建模分析,由于基坑的對(duì)稱性故沿基坑短邊取1/2進(jìn)行建模,模型尺寸為285 m×90 m×40 m,地下連續(xù)墻與模型邊界距離取80 m,坑底以下土體厚度取24 m.主要土體參數(shù)的選取參考地質(zhì)勘查報(bào)告及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Tab.2 Soil property parameters

支撐采用表1中相應(yīng)的截面屬性,混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量取30 GPa,鋼結(jié)構(gòu)的彈性模量取200 GPa.

開(kāi)挖過(guò)程的具體模擬步驟如下：

1) 對(duì)所有土體進(jìn)行初始地應(yīng)力分析計(jì)算；2) 地下連續(xù)墻施工,基坑坑底進(jìn)行抽條加固,第2、3段基坑段間設(shè)置鋼板樁隔斷；3) 第2段基坑第1步開(kāi)挖,開(kāi)挖深度2 m,設(shè)置第1道支撐；4) 第2段基坑第2步開(kāi)挖,開(kāi)挖深度4 m,設(shè)置第2道支撐；5) 第2段基坑第3步開(kāi)挖,開(kāi)挖深度4 m,設(shè)置第3道支撐；6) 第2段基坑第4步開(kāi)挖,開(kāi)挖深度4 m,設(shè)置第4道支撐；7) 第2段基坑開(kāi)挖至最終開(kāi)挖面,開(kāi)挖深度2 m；8) 第3段基坑進(jìn)行開(kāi)挖,開(kāi)挖流程與第2段基坑相同.

3 模型驗(yàn)證

圖3為若干種不同坑底加固方式的平面示意圖.對(duì)10種工況進(jìn)行開(kāi)挖模擬得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析.首先對(duì)圖3中工況一(即實(shí)際工程采用的方案)進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算,并將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以此驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性.工況一中在第2段基坑距離西側(cè)端頭10 m位置處設(shè)置了9條抽條加固,每條抽條加固段寬3 m、深3 m,加固條間距3 m.

圖4為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移的有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比剖面圖.實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示,地下連續(xù)墻最大位移為102.43 mm,最大位移產(chǎn)生于深度20 m處；有限元模擬結(jié)果顯示,地下連續(xù)墻最大位移為94.13 mm,最大位移產(chǎn)生于深度16 m處,即最終開(kāi)挖面所在深度.最大側(cè)向位移的模擬值與實(shí)測(cè)值基本能夠吻合,驗(yàn)證了所采用模型的合理性.

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移研究

4.1 抽條加固體所處位置的影響

圖5為9條抽條加固體處于第2段基坑不同位置的3種工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移圖.工況一中9條加固體距離第3段基坑邊界10 m,工況二中不設(shè)置抽條加固,工況三中9條加固體位于第2段基坑中心處.工況一、三中加固體縱向長(zhǎng)度LR=51 m、開(kāi)挖段長(zhǎng)度L=195 m,加固比例LR/L=26.2%.結(jié)果表明,工況一、三中加固體中心處圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移分別為58.54、64.24 mm,與工況二(無(wú)抽條加固)同樣位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移相比,其減小率分別為26.42%、31.17%.工況一、三中第2段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移分別為94.12、84.48 mm,與工況二相比側(cè)移的減小率分別為0.66%、8.65%.在加固體中心處,由于受到加固體及鋼板樁的約束作用,工況一中圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移較工況三中減小了5.70 mm.然而從圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的減小率(相對(duì)于工況二)的角度來(lái)看,在加固體中心處工況三較工況一提升了4.75%,在圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移處工況三較工況一提升了7.99%,因此將加固比例為26.2%的加固體置于開(kāi)挖段中心對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的抑制作用高于將其

置于開(kāi)挖段邊側(cè).然而在26.2%的加固比例下,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的減小率仍在10%以下,因此該加固比例的加固體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的整體抑制作用不明顯.

4.2 抽條加固體數(shù)量的影響

圖6為東段基坑整體開(kāi)挖的前提下,在開(kāi)挖段中心設(shè)置4種不同數(shù)量抽條加固體的工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移圖.工況四、五、六、八的抽條加固體數(shù)量分別為9、26、42、0條,其加固比例LR/L分別為17.9%、53.6%、87.4%、0%.結(jié)果表明,工況四、五、六對(duì)應(yīng)的加固體中心處圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移分別為66.98、58.84、58.22 mm,與工況八(無(wú)抽條加固)同樣位置處相比,側(cè)移的減小率分別為30.49%、38.94%、39.58%.工況四、五、六對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移分別為94.34、78.58、58.28 mm,與工況八相比側(cè)移的減小率分別為1.77%、16.76%、29.61%.圖7為該4種工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移剖面對(duì)比圖.同一開(kāi)挖段內(nèi),加固體中心處圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的減小率隨著加固比例LR/L的增大而增大,當(dāng)LR/L高于50%后增大的幅度明顯降低.圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移的減小率隨著加固比例LR/L的增大而增大.

4.3 不同加固方式的影響

圖8為東段基坑整體開(kāi)挖的前提下,在開(kāi)挖段內(nèi)沿全長(zhǎng)設(shè)置4種不同方式的土體加固的工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移圖.工況六為沿全長(zhǎng)設(shè)置抽條加固；工況七為深度3 m的滿堂加固；工況九為3 m×3 m×3 m且間隔3 m的墩式加固；工況十為寬度3 m、深度3 m的裙邊加固.結(jié)果表明,工況六、七、九、十對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移分別為58.28、31.92、84.08、82.25 mm,與工況八(無(wú)加固)同樣位置處相比,側(cè)移的減小率分別為29.61%、66.87%、12.87%、14.76%.圖9為該4種工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移剖面對(duì)比圖.在4種加固方式中,滿堂加固對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移的抑制效果最大,沿全長(zhǎng)抽條加固次之,沿全長(zhǎng)墩式加固與沿全長(zhǎng)裙邊加固的抑制效果最不明顯且二者相差不大.

5 坑外地表沉降研究

5.1 抽條加固體所處位置的影響

圖10為9條抽條加固體處于第2段基坑不同位置的3種工況下坑外地表最大沉降圖.該3種工況中的加固模式與4.1節(jié)中相同,加固比例LR/L均為26.2%.從圖10看出,工況一、三對(duì)應(yīng)的加固體中心處坑外地表沉降分別為15.25、16.65 mm,與工況二(無(wú)抽條加固)同樣位置處坑外地表沉降相比,減小率分別為56.69%、57.12%.工況一、三中第2段基坑坑外地表最大沉降分別為38.13、34.36 mm,與工況二相比沉降減小率分別為1.52%、10.76%.在加固體中心處,兩種加固方式下的地表沉降值及其減小率相差不大.在坑外地表最大沉降處,工況三的地表沉降減小率較工況一提升了9.24%,因此將加固比例為26.2%的加固體置于開(kāi)挖段中心對(duì)地表沉降的抑制作用高于將其置于開(kāi)挖段邊側(cè)的.

5.2 抽條加固體數(shù)量的影響

圖11為東段基坑整體開(kāi)挖的前提下在開(kāi)挖段中心設(shè)置4種不同數(shù)量抽條加固體的工況下坑外地表最大沉降圖.該4種工況中的加固模式與4.2節(jié)中相同,加固比例LR/L分別為17.9%、53.6%、87.4%、0.0%.從圖11中看出,工況四、五、六對(duì)應(yīng)的加固體中心處坑外地表沉降分別為16.72、16.06、16.00 mm,與工況八(無(wú)抽條加固)同樣位置處相比,沉降減小率分別為56.82%、58.50%、58.68%.工況四、五、六對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖段坑外地表最大沉降分別為38.42、32.99、16.02 mm,與工況八相比沉降的減小率分別為0.34%、14.09%、58.62%.同一開(kāi)挖段內(nèi),加固體中心處坑外地表沉降的減小率隨著加固比例LR/L的增大而增大,但其增大幅度較小.坑外地表最大沉降的減小率隨著加固比例LR/L的增大而增大.

5.3 不同加固方式的影響

圖12為東段基坑整體開(kāi)挖的前提下,在開(kāi)挖段內(nèi)沿全長(zhǎng)設(shè)置4種不同方式的土體加固工況下坑外地表最大沉降圖.該4種工況的加固模式與4.3節(jié)中相同.從圖12看出,工況六、七、九、十對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖段坑外地表最大沉降分別為16.02、8.17、30.57、29.80 mm,與工況八(無(wú)加固)同樣位置處相比,沉降的減小率分別為58.62%、78.90%、21.03%、21.95%.在4種加固方式中,滿堂加固對(duì)坑外地表沉降的抑制效果最大,沿全長(zhǎng)抽條加固次之,沿全長(zhǎng)墩式加固與沿全長(zhǎng)裙邊加固的抑制效果最不明顯且二者相差不大.

6 結(jié)論

以上海軟土地區(qū)某地鐵車站基坑為基礎(chǔ),采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)坑底被動(dòng)區(qū)土體加固模式對(duì)基坑開(kāi)挖變形的影響進(jìn)行研究,得到了以下結(jié)論.

1)在相同長(zhǎng)度的基坑開(kāi)挖段內(nèi)布置相同有限數(shù)量的抽條加固體(加固比例LR/L=26.2%),將加固體置于開(kāi)挖段中心對(duì)基坑變形的抑制作用高于將其置于開(kāi)挖段邊側(cè).

2) 在狹長(zhǎng)型基坑中,加固比例LR/L=26.2%的抽條加固體對(duì)加固段內(nèi)及附近有限范圍內(nèi)的基坑變形具有有效抑制作用,但對(duì)基坑變形的整體抑制作用不明顯,最大變形的減小率僅在10%以下.

3) 在狹長(zhǎng)型基坑中,設(shè)置加固比例LR/L分別為17.9%、53.6%、87.4%的抽條加固,加固體對(duì)基坑變形的抑制作用隨著加固比例的增加而明顯增大.

4) 在4類加固方式中,滿堂加固對(duì)基坑變形的抑制效果最大,其次是沿基坑全長(zhǎng)布置抽條加固的加固方法；對(duì)于狹長(zhǎng)型深基坑,墩式加固與裙邊加固的抑制效果差別不大且均不明顯.