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        地鐵車站明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

        2020-12-07 08:47:38張濤
        現(xiàn)代城市軌道交通 2020年11期
        關(guān)鍵詞:軸力深基坑車站

        張濤

        摘 要:以西安某地鐵站明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為背景,基于有限元分析對(duì)明挖深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明,深基坑開(kāi)挖引起的地表豎向變形為 -11.8~-10.2mm,混凝土灌注樁頂側(cè)向最大變形 10.9mm,符合西安地區(qū)濕陷性黃土地鐵車站深基坑開(kāi)挖引起的地表及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性;在基坑開(kāi)挖階段,除第 3 道直撐外,內(nèi)支撐軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值,存在較大的優(yōu)化空間;內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)安全可行,可為類似基坑的施工借鑒。

        關(guān)鍵詞:地鐵;深基坑;支護(hù)結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性分析

        中圖分類號(hào):TU753

        地鐵明挖車站深基坑設(shè)計(jì)與施工開(kāi)挖中,既要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,又要考慮在施工過(guò)程中不同階段土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)相互影響的問(wèn)題[1],這就需要對(duì)基坑工程施工力學(xué)行為進(jìn)行分析研究。目前,支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用研究處于起步階段,基坑開(kāi)挖的理論模型計(jì)算和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理還不完善[2],大多應(yīng)用半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法[3],多采用二維模型模擬[4],不能全面反應(yīng)基坑不同部位支撐受力與變形。本文以西安地鐵某車站明挖深基坑工程為依托,建立三維有限元模型對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移、樁體水平位移、內(nèi)直撐、斜撐軸力和地表沉降進(jìn)行分析,以期為后續(xù)工程提供依據(jù)。

        1 工程概況

        西安某地鐵車站為11 m島式車站,兩端為擴(kuò)大端,標(biāo)準(zhǔn)段采用單柱、雙跨的地下二層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu),車站基坑長(zhǎng)225 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬19.7 m,深15.69 m。車站支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+鋼管支撐的支護(hù)方式,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁,嵌固深度為基坑底以下6 m。基坑豎向設(shè)置3道支撐,采用609 mm的鋼管直撐,鋼管壁厚16 mm,第1道直撐水平間距6 m,第2、第3道直撐水平間距3m,直撐段和斜撐段均采用鋼圍檁(圖1)。

        車站所處地層主要由第四系人工填土,場(chǎng)地地層自上而下劃分為素填土、黃土狀土、粉質(zhì)黏土、中砂、圓礫、粉質(zhì)黏土、中砂,共8層。

        場(chǎng)地地下水位介于-15.58~-18.40 m之間,屬第四系松散層孔隙性潛水,含水層主要為全新統(tǒng)沖積砂土、碎石土,上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、砂土地層中無(wú)明顯隔水層,勘察深度內(nèi)無(wú)承壓地下水。

        2 有限元模型及計(jì)算工況

        2.1 基本假設(shè)

        進(jìn)行建模時(shí),對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)、土層性質(zhì)等按照以下假設(shè)處理:

        (1)假定在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)土體是均勻、各向同性的彈塑性體,土體的應(yīng)力應(yīng)變滿足摩爾庫(kù)侖模型[4];鉆孔灌注樁、鋼直撐和鋼圍檁均為理想彈性體;將樁孔灌注樁等效為600 mm厚的理想彈性地下連續(xù)墻;

        (2)不考慮施工混凝土灌注樁時(shí)對(duì)土體應(yīng)力和性狀的影響,將開(kāi)挖階段的地層位移場(chǎng)清零,保留應(yīng)力場(chǎng);

        (3)不考慮基坑開(kāi)挖動(dòng)態(tài)施工過(guò)程對(duì)土體力學(xué)特性的影響;

        (4)基坑開(kāi)挖前降水已達(dá)到設(shè)計(jì)要求,不考慮土體中的滲流作用。

        2.2 有限元模型

        本文地鐵車站基坑有限元模型基坑寬20 m,深18.2 m,東西擴(kuò)大端長(zhǎng)14.6 m,標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)225 m。按基坑手冊(cè),基坑影響范圍為挖深的3~4倍[6],故將模型水平尺寸設(shè)為 180 m×180 m,豎向土體取60 m,所選尺寸滿足基坑手冊(cè)要求,結(jié)合車站所在位置地質(zhì)縱剖圖,土層厚度自上而下分別取1 m、1.2 m、7 m、4.8 m、1.2 m、5m、10.2 m、29.6 m;土體本構(gòu)選取摩爾庫(kù)侖模型;鋼支撐和鋼圍檁采用一維梁?jiǎn)卧M,鋼材為Q235B;鉆孔灌注樁等效地下連續(xù)墻按板單元模擬,材料為C35混凝土;坑底墊層材料為C20混凝土。模型共包含節(jié)點(diǎn)145 532個(gè)、單元453 828個(gè),三維應(yīng)變單元以六面體單位為主(圖2)。

        2.3 模擬計(jì)算工況

        按照“分區(qū),分類,定性,定量”的原則對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬,模擬計(jì)算分析基坑施工過(guò)程對(duì)土體應(yīng)力、應(yīng)變的影響,根據(jù)基坑施工方案,基坑開(kāi)挖模擬計(jì)算工況按6個(gè)開(kāi)挖階段分為6個(gè)工況。

        階段1(工況CS1),初始地應(yīng)力分析,勾選位移清零,模擬土體固結(jié)過(guò)程。

        階段2(工況CS2),支護(hù)樁施工。

        階段3(工況CS3),開(kāi)挖至地表以下2.1 m,并在地表以下 1.4 m 處施工第1道鋼直撐,直撐施加300 kN預(yù)應(yīng)力。

        階段4(工況CS4),開(kāi)挖至地表以下 9.2 m,并在地表以下 8.4 m 處施工第2道鋼直撐,直撐施加500 kN預(yù)應(yīng)力。

        階段5(工況CS5),開(kāi)挖至地表以下14.0 m,并在地表以下13.2m處施工第3道鋼直撐,直撐施加400kN

        預(yù)應(yīng)力,斜撐施加450 kN預(yù)應(yīng)力。

        階段6(工況CS6),開(kāi)挖至地表以下18.2 m,并在18.0 m處做200 mm厚的C20混凝土墊層。

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        3.1 基坑水平位移

        圖 3給出了不同工況下基坑水平位移與基坑深度關(guān)系曲線,由圖3可見(jiàn),基坑最大水平位移發(fā)生在工況CS6,工況CS6時(shí)的基坑水平位移云圖如圖4所示,圖4表明,基坑在南北向中部深度-18.2 m處產(chǎn)生最大水平位移為10.9 mm,基坑在東西向中部-16.7 m處產(chǎn)生最大水平位移為9.3 mm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是,該基坑深度-10~-21.3 m的土層為圓礫層,黏聚力為0,抗剪能力與相鄰的土體相差很大,承受相同剪力時(shí)產(chǎn)生側(cè)向位移較大。

        3.2 基坑豎向位移

        (1)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的基坑豎向位移曲線如圖5所示,圖5數(shù)據(jù)表明,基坑坑底最大豎向位移發(fā)生在工況CS6,為47 mm(隆起),最小豎向位移為-6.9 mm(沉降),基坑坑邊位移在-10.2~-11.8 mm之間(沉降),可見(jiàn),隨著基坑開(kāi)挖深度的增加,坑底豎向位移起伏較大,基坑邊豎向位移變化不大,基坑底部需采取必要的技術(shù)措施,防止因坑底局部過(guò)大隆起變形給基坑施工帶來(lái)危害。

        (2)圖6給出了工況CS6時(shí)基坑周邊地表豎向位移云圖,由圖6可見(jiàn),基坑開(kāi)挖完成后,基坑周邊地表豎向位移(沉降)隨坑壁距離的增加而減小,基坑邊30m外地表沉降變化速率趨近于0。具體表現(xiàn)為,與坑壁距離為0~30 m范圍內(nèi)基坑周邊地表沉降呈線性變化,由19.4 mm減小到8.2 mm,直至在距離坑壁80 m時(shí)為-7.8 mm?;又苓叺乇沓两抵禎M足警戒值30 mm要求。

        3.3 圍護(hù)樁水平位移

        圖7給出了不同工況下圍護(hù)樁水平位移與樁深關(guān)系曲線,由圖7可見(jiàn),圍護(hù)樁最大水平位移發(fā)生在工況CS6,工況CS6時(shí)的圍護(hù)樁水平位移云圖如圖8所示,圖7、圖8表明,圍護(hù)樁最大水平位移為10.9 mm,發(fā)生在樁深18.2 m處,小于預(yù)警值24 mm;工況CS5進(jìn)行到工況CS6時(shí),樁頂水平位移變化為0,基坑周邊土體已基本穩(wěn)定,這說(shuō)明基坑鋼支撐起到了積極作用,較大抑制了土體及樁向基坑內(nèi)的移動(dòng),保障了基坑的穩(wěn)定,也使得土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)直撐達(dá)到受力平衡。

        3.4 土體應(yīng)力

        基坑土體的破壞主要是剪切破壞,圖9給出了不同工況下基坑土體剪切應(yīng)力變化曲線,由圖9可見(jiàn),基坑土體最大剪切應(yīng)力發(fā)生在工況CS6,工況CS6時(shí)的基坑土體剪切應(yīng)力云圖如圖10所示,圖9、圖10表明,隨著開(kāi)挖深度的增加,基坑土體最大剪切應(yīng)力逐漸減小,在工況CS5~工況CS6時(shí)增加為896.486kPa,滿足土體最大剪切應(yīng)力100 MPa要求。

        3.5 支撐軸力

        3.5.1 直撐和斜撐軸力

        圖 11給出了不同工況下直撐軸力變化曲線,由圖11可知:

        (1)第1道直撐在開(kāi)挖工況CS3時(shí)架設(shè);基坑開(kāi)挖到工況CS4時(shí)架設(shè)第2道直撐,此時(shí)第1道直撐的軸力有所下降;自工況CS4至CS6,第1道直撐軸力變化曲線基本保持水平。

        (2)在第3道直撐架設(shè)后,第2道直撐的變化規(guī)律與第1道直撐的變化規(guī)律相似,軸力雖有小幅度變化,但整體趨于穩(wěn)定。

        (3)進(jìn)行到工況CS6時(shí)由于基坑-10~-21.3m處土層為圓礫,其黏聚力為0,抗剪能力差,水平變形較大,這使得第3道直撐軸力由400 kN增加到1885.3kN,增加了1485.3kN,其余2道直撐軸力變化不大,說(shuō)明在工況CS6時(shí),第3道直撐對(duì)限制基坑產(chǎn)生較大的水平位移發(fā)揮了重要的作用。

        不同工況下斜撐軸力變化與直撐類似,這里不予贅述。

        3.5.2 支撐軸力計(jì)算值與設(shè)計(jì)值比較

        表1為基坑開(kāi)挖工況CS6時(shí)各道支撐計(jì)算最大值與設(shè)計(jì)值的統(tǒng)計(jì)表,由表1可知:

        (1)3道直撐中,第2道直撐的計(jì)算軸力與設(shè)計(jì)軸力百分比較高,第3道支撐計(jì)算值超過(guò)設(shè)計(jì)軸力。說(shuō)明在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,第2道、第3道支撐抑制了支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)大的位移,充分發(fā)揮了直撐作用。

        (2)第3道直撐軸力與超出設(shè)計(jì)值27.3%需引起注意,應(yīng)采取相關(guān)技術(shù)措施,可通過(guò)增加直撐密度防止在基坑施工過(guò)程中出現(xiàn)安全質(zhì)量事故。

        (3)斜撐軸力計(jì)算值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比表明,斜撐軸力均未超過(guò)設(shè)計(jì)值。

        4 結(jié)論與建議

        (1)計(jì)算分析表明,西安地鐵某車站基坑施工引起的地表豎向沉降為-11.8~-10.2 mm,圍護(hù)樁頂最大水平位移10.9 mm,符合西安地區(qū)地鐵車站深基坑施工引起的地表沉降及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求。

        (2)工況CS5~CS6時(shí)第3道直撐軸力增加了1485.3kN,因此應(yīng)著重優(yōu)化第3道直撐,提高其設(shè)計(jì)強(qiáng)度或增加直撐密度,預(yù)防基坑施工過(guò)程直撐產(chǎn)生較大變形,導(dǎo)致安全事故。

        (3)支撐架設(shè)完成后開(kāi)挖下層土?xí)r,直撐軸力大幅度增加,在施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)直撐軸力監(jiān)測(cè),保證基坑的安全。

        (4)在基坑開(kāi)挖階段,除第3道直撐外,支撐軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值,存在較大的優(yōu)化空間。在設(shè)計(jì)階段可通過(guò)優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的布置方式、布設(shè)密度,或者減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面尺寸,降低工程造價(jià)成本。

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        收稿日期 2020-05-18

        責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

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