楊海峰，牛錦濤，商寧坤，吳 明

(1.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院,陜西 西安 710054; 2.長安大學地質(zhì)工程系,陜西 西安 710054)

0 引言

目前全國各大城市地鐵建設(shè)緊鑼密鼓,地鐵建設(shè)中車站基坑往往比較深,而且基坑開挖多處于城市繁華中心。那么對于深基坑開挖所引起的圍護結(jié)構(gòu)和地面變形研究非常重要,其對于基坑安全施工,節(jié)約工程造價有著指導意義。以文獻[1-2]為代表的大量研究主要是軟土地區(qū)的基坑成果,不完全適用于黃土地區(qū)。為此,許多研究者[3-7]對黃土地區(qū)的基坑進行監(jiān)測資料規(guī)律性總結(jié)和施工過程數(shù)值分析。盡管如此,黃土地區(qū)的研究成果相對于軟土地區(qū)少之又少。近年來隨著計算機技術(shù)發(fā)展,數(shù)值方法研究日新月異,研究人員和工程師[8-11]利用數(shù)值手段研究基坑開挖過程力學行為和變形規(guī)律,對于基坑研究非常有幫助。因此,本文擬從數(shù)值計算角度研究黃土地區(qū)某基坑施工引起的圍護結(jié)構(gòu)和地面變形,以期對于黃土地區(qū)基坑研究提供一定借鑒。

1 工程概況和場地地質(zhì)條件

1.1 工程概況

西安地鐵某地鐵車站主體基坑平面尺寸146.84 m×26.96 m,基坑深度約17.84 m,局部深度18.91 m。如圖1所示,基坑圍護采用φ1 000@1 400 mm旋挖樁,設(shè)三道內(nèi)支撐。樁間采用掛鋼筋網(wǎng)噴射混凝土擋土,支護樁嵌固深度為5 m,6 m和7 m。第一道支撐為寬1 200 mm×高1 400 mm(路面鋪蓋下)和寬1 200 mm×高800 mm鋼筋混凝土撐,水平間距約6 m;第二、三道支撐為φ600×14 mm鋼支撐,預加軸力600 kN和500 kN,水平間距約3 m,支撐軸力約1 944 kN;腰梁采用2 Ⅰ 45C組合鋼圍檁。

1.2 場地水文和地質(zhì)條件

如圖2所示土層依次為填土類,③-1-1新黃土,③-1-2新黃土,③-2-2層古土壤,④-1-2老黃土,④-4粉質(zhì)黏土,④-7中砂,④-12沖積黏土。潛水賦存于古土壤、黃土和粉質(zhì)黏土及其砂夾層中。主要含水層為粉質(zhì)黏土層中砂夾層,該層透水性好,賦水性強。地下水位埋深約19 m?；又苓叧嚯x基坑200 m的f9地裂縫外,無不良地質(zhì)災(zāi)害。各層土工參數(shù)如表1所示。

表1 巖土參數(shù)

2 3D數(shù)值仿真

2.1 計算模型

數(shù)值模型如圖2所示,本次計算地層尺寸長×寬×高(厚)為317 m×142 m×80 m?；訃o結(jié)構(gòu)如圖3所示,計算尺寸為長×寬×高(厚)為197 m×26 m×23 m。數(shù)值模型3D單元44 287個,節(jié)點43 889個,2D單元4 189個,節(jié)點2 781個,1D單元47 349個,計算所有工況費時18 h?；訃o采用直徑1 m的鉆孔灌注樁,樁中心距1.4 m?；庸こ讨羞@樣的樁實際上可以簡化成連續(xù)的墻,簡化原理如圖4和式(1)所示,計算后墻體厚度約為0.75 m,建立的基坑圍護模型如圖3所示。

(1)

基坑采用三道支撐,第一道支撐為混凝土支撐,路面蓋板下對撐截面1.2 m×1 m(h),上覆400 mm空心混凝土板及150 mm混凝土路面措施。挖土工作面對撐截面1.2 m×0.8 m(h),吊車行走范圍連系梁截面為1.2 m×1 m(h),之外截面為1.2 m×0.8 m(h),壓頂冠梁截面為1.5 m×0.8 m(h),混凝土角撐截面為0.6 m×1.0 m(h)。第二、三道支撐采用φ600鋼支撐,壁厚分別為16 mm和14 mm,腰梁和連系梁均為2×45C工字鋼。立柱采用旋挖樁,直徑1.4 m,中心距6.0 m。計算過程采用彈性力學板殼單元模擬鋪蓋板,梁單元模擬對撐、腰梁、連系梁和立柱,計算空間模型如圖5所示。

2.2 計算參數(shù)和工況

基坑圍護構(gòu)件中立柱深度最大,達到了53 m,持力層基本為粉質(zhì)黏土,因此計算過程主要考慮6層土體,數(shù)值計算時土體為彈塑性材料,服從摩爾庫侖破壞準則,計算參數(shù)如表1所示。后村車站基坑施工工序較為復雜有12步之多,3D數(shù)值計算工作量非常大。因此,計算過程簡化為主要的5個步驟,如表2所示。

表2 計算工況

3 仿真結(jié)果分析

3.1 圍護結(jié)構(gòu)變形分析

圖6和圖7分別是施加工況3—工況6時工況下圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形曲線。從圖6和圖7中可以看到工況3時(開挖至約2 m)圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形發(fā)生在坑底以下約6.5 m的地方。這是由于施加了地面15 kPa超載的緣故,荷載傳遞到較深土體,使得圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形發(fā)生在坑底以下6.5 m位置。當施加工況4時(開挖至約8.4 m)圍護結(jié)構(gòu)的最大變形位置基本沒有發(fā)生改變,但是量值有所增加。這說明超載引起的圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形深度基本為坑底下6.5 m左右。進一步可以得到啟示:基坑施工過程盡量不要于側(cè)壁周邊堆鋼筋、水泥和磚石等材料,以免引起圍護結(jié)構(gòu)變形過大。隨著施加工況5和工況6(分別開挖至14.7 m和18.5 m)圍護結(jié)構(gòu)變形進一步增大,最大變形位置發(fā)生轉(zhuǎn)變到坑底以上。隨著基坑開挖深度增加,圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形位置有所下移,但是始終位于基坑開挖面以上。該現(xiàn)象于一般軟土基坑中,最大圍護結(jié)構(gòu)變形發(fā)生于坑底附近,甚至坑底以下的情況不同。這也反映出黃土強度高于軟土的特性。從圖6和圖7中還可以看出,端頭井較標準段圍護結(jié)構(gòu)變形大,該現(xiàn)象并不違背基坑的“空間效應(yīng)”原理。正是標準段采用了對撐,其剛度強于端頭井的斜撐而引起的。

圖8為開挖至坑底時圍護結(jié)構(gòu)沿著車站橫向的變形云圖。

從圖8中可以看出圍護結(jié)構(gòu)在坑底上方附近變形較大,并且變形呈現(xiàn)三維效應(yīng),說明基坑的“空間效應(yīng)”普遍存在。從該現(xiàn)象可以看出,基坑設(shè)計時可以把對撐加強,而邊、角支撐可相對弱些,便于節(jié)省材料。

圖9為圍護結(jié)構(gòu)和土體側(cè)向變形對比曲線,圖中反映隨著基坑開挖深度增加,圍護結(jié)構(gòu)和土體之間存在變形不一致的現(xiàn)象,即脫空現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)的基坑工程中有實測資料證實,但是采用圍護樁的基坑中,實測資料中鮮有所聞。本文計算為了簡便根據(jù)剛度相等原理,把圍護樁簡化為連續(xù)墻才會有此現(xiàn)象。

3.2 地面沉降分析

圖10是地面沉降曲線,從圖中可以看到坑后地面沉降呈拋物線形態(tài)。其表達式可以近似用三段直線來表示。

圖10中最大沉降量發(fā)生在距離基坑側(cè)壁16 m的位置,約為基坑開挖深度的0.86倍,大于軟土地區(qū)的0.5倍開挖深度(見圖11)。由于黃土強度普遍高于軟土,該基坑最大沉降量約為1.5 cm(見圖12),因此其影響分區(qū)不能像圖11那樣劃分。本文算例中基坑側(cè)壁到最大沉降量處水平距離為16 m,小于基坑開挖深度18.5 m,該區(qū)域斜率較大,可以定義為主要影響區(qū)。而最大沉降量至未變形區(qū)域約為24 m,大于基坑開挖深度,那么該區(qū)域可以定義為次要影響區(qū)域。其余為未影響區(qū)域,沉降分區(qū)劃分如圖10所示。

3.3 監(jiān)測資料與數(shù)值結(jié)果對比分析

圖13為該基坑局部圍護結(jié)構(gòu)測斜管和地面沉降點平面布置圖,其中代表性的監(jiān)測結(jié)果分析繪制于圖7和圖10中。圖7和圖10測斜監(jiān)測數(shù)據(jù)較數(shù)值計算結(jié)果小少許,總體趨勢規(guī)律較為相符,反映出數(shù)值結(jié)果能較好的模擬基坑施工過程力學效應(yīng)對基坑周邊土體的影響。

4 結(jié)論

通過黃土地層蓋挖順作基坑實例的數(shù)值分析,分析了黃土基坑坑后的變形特性,得到了如下結(jié)論:

1)由于黃土強度普遍高于軟土,導致黃土地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生于坑底以上。2)黃土地區(qū)同樣空間效應(yīng)明顯,建議可以充分利用,加強對撐設(shè)計,邊、角支撐可以適當弱化,以便于節(jié)省材料。3)蓋挖順作基坑地面沉降類似于拋物線形,可以分為3個變形區(qū)域,其中主要變形區(qū)域距離基坑側(cè)壁為0.86基坑開挖深度;次要變形區(qū)距離基坑側(cè)壁1.9基坑開挖深度,完全不同于軟土地區(qū)。對于黃土地區(qū)地面分區(qū),建議影響分區(qū)不要照搬軟土地區(qū)經(jīng)驗,應(yīng)根據(jù)斜率要求具體劃分。