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        地鐵深基坑傳力構(gòu)件的受力性能研究

        2021-09-10 07:14:17任偉
        交通科技與管理 2021年6期

        任偉

        摘 要:針對(duì)鄭州奧體中心站深基坑上部土釘墻+下部灌注樁內(nèi)支撐的支護(hù)特性,提出了一種傳力構(gòu)件。運(yùn)用有限元模擬了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力性能,對(duì)比了未施加傳力構(gòu)件與施加傳力構(gòu)件的整體變形特性。模擬結(jié)果表明,施加傳構(gòu)件,能夠有效地減小土體的變形,提高邊坡的穩(wěn)定性,是地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種較為有效的安全輔助措施。

        關(guān)鍵詞:深基坑;支護(hù)結(jié)構(gòu);傳力構(gòu)件;受力性能

        0 引言

        對(duì)于地鐵深基坑邊坡穩(wěn)定性分析的研究,近幾十年來國內(nèi)外學(xué)者也投入了大量的精力,同時(shí)也取得了比較豐碩的研究成果[1-4]。深基坑開挖過程中的基坑穩(wěn)定問題和支撐內(nèi)力是一個(gè)比較受關(guān)注的巖土問題,通常常用的方法包括:極限平衡法和有限元法。本文以鄭州奧體中心站深基坑為工程實(shí)例,針對(duì)上部土釘墻+下部灌注樁內(nèi)支撐的支護(hù)特性,提出了一種傳力構(gòu)件,運(yùn)用有限元法對(duì)比了未施加傳力構(gòu)件與施加傳力構(gòu)件的整體變形特性,分析了傳力構(gòu)件的合理性,為相似的地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了借鑒。

        1 深基坑邊坡穩(wěn)定性的有限元分析

        在邊坡穩(wěn)定性分析中,有限元是一種常用的方法,采用有限元軟件可以比較高效地分析和解決實(shí)際工程問題,并能夠得到比較可靠的運(yùn)行結(jié)果。通過有限元網(wǎng)格劃分,將復(fù)雜的邊坡看作由有限個(gè)單元組成的整體,單元與單元之間由節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系。

        根據(jù)虛功原理,均質(zhì)堤防土體中體系外力的虛功與內(nèi)力的虛功等于零,即變形體內(nèi)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所做的功與體積力和面積力在虛位移上所做之功相等,即:

        式中:為各有限單元法中土體單元中的虛位移場(chǎng);為虛應(yīng)變;為土體單元受到的面外荷載;為土體單元受到的體積外荷載。

        有限元法能夠?qū)⒒舆吰碌姆€(wěn)定和位移的發(fā)展聯(lián)系起來。在基坑開挖的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中只能測(cè)出位移的發(fā)展,無法測(cè)出安全系數(shù),將基坑邊坡的穩(wěn)定性和位移的發(fā)展聯(lián)系起來就可以依據(jù)位移估計(jì)安全性的變化,這對(duì)施工過程中監(jiān)測(cè)和控制邊坡的穩(wěn)定性是非常重要的。

        2 深基坑傳力構(gòu)件的受力性能分析

        運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見下表1。鋼筋混凝混凝土灌注樁和傳力構(gòu)件的參數(shù)見表2,在數(shù)值模擬時(shí),對(duì)排樁進(jìn)行了簡化,實(shí)際工程采用的灌注樁直徑1.2 m、間距1.4 m,按剛度等價(jià)換算混凝土地下連續(xù)墻(強(qiáng)度折減系數(shù)0.35),傳力構(gòu)件主要為鋼材,其材料參數(shù)參考HRB400鋼筋。

        2.1 未施加傳力構(gòu)件的整體變形分析

        建立的有限元模型劃分網(wǎng)格如圖1所示。施加約束如下:底部固定約束、左右兩側(cè)軸向約束、前后兩側(cè)軸向約束、上部自由,將支撐軸力均布到圍檁上,第1道混凝土支撐施加軸向位移約束,第2、3、4、5道分別施加壓力25 kPa、20 kPa、20 kPa、20 kPa,豎向施加重力加速度。

        通過數(shù)值模擬計(jì)算,得到了位移三維云圖,如圖3所示,并進(jìn)一步給出了基坑頂、一級(jí)坡平臺(tái)、二級(jí)坡平臺(tái)(冠梁頂)、基坑底等位置處的水平剖面云圖,分別如圖2所示。

        從圖2可以看出,在土體主動(dòng)土壓力的作用下,樁頂以上土釘墻段會(huì)產(chǎn)生向基坑方向的位移(即圖中的x軸的負(fù)向位移),最大水平位移為0.014 98 m,即14.98 mm,該數(shù)值與實(shí)測(cè)最大水平位移15.1 mm非常接近,誤差僅為0.79%。從圖2可以看出,上部土體的位移云圖呈圓弧狀分布,和土體的滑移線形狀接近。上述結(jié)果驗(yàn)證了采用有限元模擬的合理性。

        2.2 施加傳力構(gòu)件的整體變形分析

        建立的傳力構(gòu)件有限元模型如圖3所示。邊界條件與未施加傳力構(gòu)件相同。通過數(shù)值模擬計(jì)算,得到了基坑頂、一級(jí)坡平臺(tái)、二級(jí)坡平臺(tái)(冠梁頂)、基坑底等位置處的水平剖面云圖,如圖4所示。

        從圖4可以看出,施加傳力構(gòu)件后與施加傳構(gòu)件之前的基坑頂、一級(jí)坡平臺(tái)、二級(jí)坡平臺(tái)(冠梁頂)、基坑底等位置處的水平剖面云圖變化規(guī)律一致。由于傳力構(gòu)件施加在二級(jí)坡的底部,對(duì)地表的位移的影響較小,地表的最大水平位移為14.01 mm,比未施加傳力構(gòu)件時(shí)的14.98 mm減小了6.5%。在二級(jí)平臺(tái)處,施加傳力構(gòu)件后的最大水平位移9.24 mm,比未施加傳力構(gòu)件時(shí)的11.72 mm減小了21.16%,減小幅度比較大。

        上述結(jié)果表明,施加傳構(gòu)件,能夠有效地減小土體的變形,提高邊坡的穩(wěn)定性,是地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種較為有效的安全輔助措施。

        2.3 傳力構(gòu)件的受力性能分析

        傳力構(gòu)件的截面尺寸為100 mm*100 mm的正方形截面,通過數(shù)值模擬得到的傳力構(gòu)件的應(yīng)力云圖如圖5所示,傳力構(gòu)件受到的最大應(yīng)力為78.7 MPa,對(duì)應(yīng)集中力為787 kN,需要的傳力構(gòu)件的凈截面為3 839 mm2,采用I22b工字鋼可以滿足要求(凈截面為3 955 mm2),間距5.0 m。

        3 結(jié)論

        施加傳力構(gòu)件,能夠有效地減小土體的變形,提高邊坡的穩(wěn)定性,是地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種較為有效的安全輔助措施。計(jì)算結(jié)構(gòu)表明:施加傳力構(gòu)件后,地表的最大水平位移為14.01 mm,減小6.5%,二級(jí)平臺(tái)處的最大水平位移9.24 mm,減小21.16%。

        參考文獻(xiàn):

        [1]張戈,毛海和.軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合剛度研究[J].巖土力學(xué),2016,37(5):1467-1474.

        [2]侯新宇,薛必芳,火映霞,等.地鐵換乘站深基坑內(nèi)支撐體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2016,60(8):89-94.

        [3]潘軍,楊小平,劉庭金.緊鄰地鐵半圓內(nèi)支撐深基坑受力及變形特性數(shù)值研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(32):206-210+227.

        [4]趙彥慶,張華愷,齊凱澤,等.鋼支撐在天津某地鐵深基坑中的穩(wěn)定性研究[J].施工技術(shù),2016,45(20):96-100.

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