劉仁華

(中鐵二十局集團(tuán)第三工程有限公司，重慶 400065)

1 引言

在地鐵車站的修建過(guò)程中，支撐拆除前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力往往會(huì)產(chǎn)生較大的變化，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂甚至失效。本文以重慶軌道交通10 號(hào)線蘭花湖停車場(chǎng)基坑工程為依托，采用有限元軟件ANSYS 模擬了支撐拆除對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，可作為地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工的理論參考。

2 工程概況

重慶軌道交通10 號(hào)線蘭花湖停車場(chǎng)基坑工程位于重慶工商大學(xué)蘭花湖校區(qū)東北側(cè)，基坑深13.4 m，寬15.6 m，主要分布的地層巖性為人工填土、砂質(zhì)泥巖和砂巖，其中人工填土成分復(fù)雜，穩(wěn)定性差?；硬捎勉@孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)方式進(jìn)行支擋，并采用分層開(kāi)挖的方式進(jìn)行開(kāi)挖。

3 數(shù)值模擬及分析

3.1 數(shù)值模型的建立

本次模擬采用ANSYS 軟件進(jìn)行模擬，根據(jù)圣維南原理，基坑開(kāi)挖的影響范圍為2～4 倍開(kāi)挖深度的[1]，因此最終確定的模擬范圍為一個(gè)長(zhǎng)123.2 m，寬70.4 m 的矩形區(qū)域，基坑開(kāi)挖位置位于矩形的正中間，模型的網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

本次模擬為二維平面模擬，因此選用plane42 單元模擬土體，選用beam3 單元模擬鉆孔灌注樁，選用link1 單元模擬支撐。考慮到樁和土體的變形模量差異較大，可能在接觸面產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，因此，引入接觸單元模擬樁和土體之間的接觸效應(yīng)，采用TARGE169 單元模擬樁，采用CONTAC171 單元模擬土體[2]。土體采用DP 模型以體現(xiàn)其彈塑性，樁及支撐則采用彈性模型[3]。模擬所取參數(shù)均根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料和城市軌道交通基坑設(shè)計(jì)規(guī)范確定，物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 樁體水平位移分析

支撐拆除前樁體的水平位移模擬結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出，樁體的水平位移隨著樁體深度的增加呈現(xiàn)出L形分布，基坑上部由于支撐的存在，樁體水平位移基本為零，說(shuō)明內(nèi)支撐可以很好地約束樁體的水平位移。從第二道支撐往下開(kāi)始，樁體的水平位移開(kāi)始逐漸增大，兩側(cè)樁體的位移并不對(duì)稱，左側(cè)樁體位移稍大，原因是基坑左側(cè)有一定向上的坡度，樁體受到的土壓力較右側(cè)樁體更大。樁體的水平位移在基坑底部達(dá)到最大值5.99 mm，這是由于基坑開(kāi)挖土體地應(yīng)力釋放，坑底土體隆起，樁體受到側(cè)向土壓力而產(chǎn)生位移。

圖2 支撐拆除前位移

在地鐵車站施工過(guò)程中，常常將主體結(jié)構(gòu)側(cè)板和圍護(hù)樁一起作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，共同抵抗土體壓力。因此，支撐拆除后，必須考慮主體結(jié)構(gòu)側(cè)板的支承作用?？梢圆捎玫刃Х椒▉?lái)考慮圍護(hù)樁和主體結(jié)構(gòu)側(cè)板的共同支護(hù)作用，即通過(guò)等效彈性模量換算公式將主體結(jié)構(gòu)側(cè)板的彈性模量折算給圍護(hù)樁，其計(jì)算方法為Ee=AcEc/Ap+Ep(其中，Ee為等效彈性模量；Ac為主體結(jié)構(gòu)側(cè)板橫截面面積；Ec為主體結(jié)構(gòu)側(cè)板彈性模量；Ap為圍護(hù)樁橫截面面積；Ep為圍護(hù)樁彈性模量)[4]。

支撐拆除后樁體的水平位移模擬結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，支撐拆除后，樁體的水平位移有了明顯的增加，呈現(xiàn)出一種經(jīng)典的U 形分布，最大水平位移出現(xiàn)在樁體中部，達(dá)到了13.02 mm。在接近基坑底部的位置，樁體的水平位移有了明顯的減小，這是因?yàn)樵诨拥撞?，樁體嵌入土體內(nèi)，樁體的水平位移受到了土體的約束。

圖3 支撐拆除后位移

由上述的研究可以得出，支撐拆除前后樁體的水平位移會(huì)發(fā)生明顯的變化，過(guò)大的位移會(huì)導(dǎo)致樁體開(kāi)裂甚至失效。支撐拆除前后樁體的水平位移差值如圖4 所示，從圖中可以看出，支撐拆除前后樁體的水平位移差值也呈現(xiàn)出U 形分布，樁體中部的位移變化量最大，最大值達(dá)到了12.59 mm，是整個(gè)樁體最容易產(chǎn)生破壞的部位。由于支撐的存在，樁體上部和中部的位移差值明顯大于底部，在支撐拆除后的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)著重監(jiān)測(cè)樁體的上中部。

圖4 拆撐前后樁體水平位移差值

3.2.2 樁體彎矩分析

支撐拆除前樁體的彎矩模擬結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，支撐拆除前后樁體的彎矩發(fā)生了明顯的變化，拆除后樁體的彎矩明顯減小。支撐拆除前，樁體的彎矩呈現(xiàn)出W 形分布，樁體的彎矩在支撐處均達(dá)到局部最大值，在第二道支撐處達(dá)到整體最大值，最大值為1 185 kN/m，這是因?yàn)橛捎谥蔚闹С凶饔脦缀踝钄嗔藰扼w的水平位移，而支撐周圍的土體壓力仍然較大，導(dǎo)致支撐處的彎矩值發(fā)生了突變。由于支撐的支承作用，樁體的彎矩在上半部分發(fā)生了2 次變化，使得樁體的彎矩分布十分不均勻，因此，在實(shí)際的施工過(guò)程中應(yīng)保證樁體的剛度。

圖5 支撐拆除前彎矩

支撐拆除后樁體的彎矩模擬結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出，支撐拆除后樁體的彎矩發(fā)生了明顯的減小，大體上呈現(xiàn)出U 形分布，這是因?yàn)橹尾鸪髽扼w可以發(fā)生自由變形，充分發(fā)揮樁體的整體承載能力。因此可以得出，支撐拆除對(duì)樁體的抗彎承載力是有利的，在施工階段應(yīng)著重考慮支撐拆除前樁體的抗彎承載力。

圖6 支撐拆除后彎矩

4 結(jié)論

本文以重慶軌道交通10 號(hào)線蘭花湖停車場(chǎng)基坑工程為依托，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，分析了支撐拆除對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）支撐拆除后較支撐拆除前樁體的水平位移有了明顯的增加，支撐拆除前樁體的最大水平位移位于樁底，而支撐拆除后樁體的最大水平位移位于樁體中部。

2）支撐拆除前后樁體的水平位移最大差值位于樁體中部，并且樁體上部水平位移差值大于樁體下部水平位移差值。

3）支撐拆除后較支撐拆除前樁體的彎矩會(huì)發(fā)生明顯的減小，支撐的拆除對(duì)樁體的抗彎承載力是有利的。