劉繼軍

(中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 南京市 210014)

0 引言

深基坑是一個(gè)具有長、寬和深尺寸的三維空間結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)二維平面應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)方法并未考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)縱向空間效應(yīng)的影響。大量文獻(xiàn)研究成果表明，深基坑連續(xù)墻中央范圍的土壓力和位移值均大于基坑端部一定范圍的土壓力和位移值，基坑兩側(cè)邊的側(cè)向變形存在明顯的三維空間效應(yīng)，抑制了基坑端部區(qū)域的土壓力和位移的發(fā)展。

以深圳市地鐵7號(hào)線上黃木崗地鐵車站基坑為例，建立基坑三維數(shù)值計(jì)算模型對(duì)基坑開挖的各個(gè)階段進(jìn)行模擬，分析基坑在縱向和深度方向上的側(cè)向變形空間效應(yīng)特點(diǎn)，通過樣條插值方法計(jì)算全深度范圍內(nèi)側(cè)向變形分布不均勻系數(shù)。為支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

黃木崗站為深圳市地鐵7號(hào)線工程的中轉(zhuǎn)站之一，本站為地下三層島式站臺(tái)車站，采用明挖順作法施工，總長約200m。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑主體標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約26m，寬度約20m。

1.2 工程地質(zhì)與水文情況

經(jīng)勘查擬建場(chǎng)地土的類型為軟弱土～巖石。按成因類型、土層結(jié)構(gòu)及其性狀特征共劃分為6層，各土層厚度及物性參數(shù)見表1。

表1基坑土體物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度為800mm的地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于連續(xù)墻嵌固深度內(nèi)土質(zhì)較好(微風(fēng)化巖)，嵌固深度為基坑設(shè)計(jì)深度以下6m，基坑所處地區(qū)地下水位較淺，考慮到地下水主要集中在上部素填土中，水量較小可以疏干，對(duì)基坑影響較小。基坑共6層內(nèi)撐，各層內(nèi)撐的豎向間距分別為1m、6m、5m、5m、3m、3m，混凝土支撐水平間距為6m，鋼支撐水平間距為3m。支撐與錨桿系統(tǒng)采用的是對(duì)撐、角撐結(jié)合邊桁架支撐形式。

2 有限元模型建立

2.1 模型概述

基坑采用FLAC3D有限元軟件模擬，其三維有限元模型考慮了土層的分層情況、開挖的工況以及墻土接觸面等。有限元三維模型尺寸為200m×110m×112m，如圖1所示。

計(jì)算模型在x=200m、y=110m、z=0m處均只約束邊界面的法向自由度，z=112m處為地表。由于采用的是人工對(duì)稱切斷面邊界，計(jì)算前必須對(duì)模型設(shè)置一個(gè)初始條件來使模型網(wǎng)格單元在初始狀態(tài)下就獲得初始地應(yīng)力。土體采用8節(jié)點(diǎn)6面體(brick)單元模擬，開挖過程利用空模型(null)來實(shí)現(xiàn)。土體本構(gòu)模型采用適合場(chǎng)地開挖模擬的彈性-理想塑性模型(材料剛度為常數(shù))Mohr-Coulomb(MC)。

2.2 支護(hù)參數(shù)

連續(xù)墻也采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元模擬，水平梁支撐采用梁(beam)單元模擬?？紤]到工作狀態(tài)下的微裂縫影響，將C30混凝土剛度乘以0.85的折減系數(shù)后帶入計(jì)算，坑邊x=100～100.8m和y=10～10.8m處為兩道連續(xù)墻。6層內(nèi)撐中第1層為1m×0.8m的C30鋼筋混凝土支撐，其他5層為Φ609mm×16mm的鋼管支撐，Q235強(qiáng)度，鋼支撐的預(yù)加軸力取初次計(jì)算軸力的60%。支護(hù)結(jié)構(gòu)狀況如圖2所示。

2.3 接觸狀況與工況說明

計(jì)算過程中為了能夠更好地反映連續(xù)墻的側(cè)向變形需要考慮連續(xù)墻與周圍土體的接觸狀況。模型中分別建立了連續(xù)墻與基坑內(nèi)外及底部土體之間的接觸，接觸參數(shù)如表2所示。

表2 墻土接觸面參數(shù)

3 基坑側(cè)向變形計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 深度方向側(cè)向變形空間效應(yīng)

模型的水平和深度方向位移主要集中在連續(xù)墻以及連續(xù)墻背后的土體區(qū)域，遠(yuǎn)離基坑的區(qū)域位移值較小。

從圖3中可以很明顯地看出連續(xù)墻在長邊上發(fā)生了不均勻變形，在中間位置有較大的向坑內(nèi)凸起的趨勢(shì)，而在基坑端部這種趨勢(shì)較弱(這是由于基坑拐角剛度強(qiáng)化效應(yīng)有效限制了基坑角點(diǎn)連續(xù)墻的側(cè)向變形)，最大側(cè)向變形為-8.63 mm。同樣從圖4中可以看出連續(xù)墻短邊也有類似的變形趨勢(shì)，側(cè)向變形空間效應(yīng)顯著，最大側(cè)向變形為-4.08 mm。

3.2 縱向側(cè)向變形空間效應(yīng)

圖5和圖6分別是連續(xù)墻長邊和短邊在各自全長上的側(cè)向變形曲線。從圖5可以看出每條曲線的共同特點(diǎn)是在基坑中部先維持一段長度的近似直線段后在基坑端部轉(zhuǎn)變?yōu)榍€，然而圖6中各圖線除了中央一小部分區(qū)域外基本上都處于曲線狀態(tài)，這表明長邊和短邊變形規(guī)律存在差異，在基坑縱向上連續(xù)墻的側(cè)向變形更接近平面應(yīng)變假設(shè)。同時(shí)以圖10中深1 m和深15 m的曲線為例，深1 m時(shí)直線段大約維持80 m，深15 m時(shí)直線段大約維持65 m。由此可見基坑長邊長度和連續(xù)墻深度都會(huì)對(duì)基坑縱向側(cè)向變形空間效應(yīng)影響。

3.3 不均勻系數(shù)分析

3.3.1不均勻系數(shù)概念

為了對(duì)空間效應(yīng)影響范圍作出準(zhǔn)確描述，現(xiàn)定義側(cè)向變形不均勻系數(shù)k為側(cè)向變形曲線段對(duì)應(yīng)的連續(xù)墻長度與連續(xù)墻總長(這里的總長針對(duì)的是1/4模型)的比值，并以此反映某深度下側(cè)向變形空間效應(yīng)程度。

k=ls/l

其中：ls為變形曲線段長度；l為連續(xù)墻總長。

表3是根據(jù)圖5和圖6中曲線段對(duì)長邊和短邊計(jì)算得到的k值。

表3 長短邊部分深度位置k值

3.3.2三次樣條插值

由于表3中只代表了部分深度下的k值，對(duì)于其他位置，例如各橫撐處、坑頂、坑底、對(duì)應(yīng)主體結(jié)構(gòu)各樓板處等位置k值大小我們也需要了解。如果在計(jì)算時(shí)在以上各個(gè)位置均設(shè)置一排監(jiān)測(cè)點(diǎn)則顯得過于麻煩。這里采用三次樣條插值方法(這種方法細(xì)節(jié)這里不作介紹)，以表3中的數(shù)據(jù)作為插值點(diǎn)，采用自然邊界條件計(jì)算不均勻系數(shù)k與基坑深度h之間的關(guān)系，長邊計(jì)算結(jié)果如上述公式。對(duì)于短邊計(jì)算方法相同。

至此我們可以對(duì)基坑全深度范圍內(nèi)的不均勻系數(shù)進(jìn)行計(jì)算并依此反推出變形曲線段(空間效應(yīng)影響區(qū)域)長度為100×k(h)。例如在第四道橫撐處h=17.5，將h帶入k(h)的h∈[15,20]段可以計(jì)算出k(17.5)=0.413，由此可以反推出基坑兩端變形曲線段長度為100×0.413=41.3 m，也就是說基坑在第4道撐處有必要對(duì)基坑兩端各41.3 m范圍內(nèi)的支護(hù)參數(shù)和形式進(jìn)行調(diào)整以更好適應(yīng)側(cè)向變形。類似的我們還可以求出坑頂、坑底、剛性鉸、其他橫撐處的影響區(qū)域長度。根據(jù)此計(jì)算結(jié)果可以為支護(hù)結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)參考。

4 結(jié)論

結(jié)合實(shí)際工程通過三維數(shù)值模擬的方法來研究深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形空間效應(yīng)問題，取得了一定成效。具體如下：

(1)側(cè)向變形在縱向和深度方向上均存在空間效應(yīng)，長邊和短邊的空間效應(yīng)效果不同。

(2)深基坑由于側(cè)向變形空間效應(yīng)的影響，基坑工程側(cè)向變形監(jiān)測(cè)時(shí)須明確變形的大小、監(jiān)測(cè)位置以便更好地進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì)、施工。

(3)長大深基坑在縱向存在空間效應(yīng)，可采用樣條插值法計(jì)算不同位置不均勻系數(shù)k，再反推出基坑兩端空間效應(yīng)影響區(qū)域長度。當(dāng)計(jì)算結(jié)果相對(duì)連續(xù)墻總長較小時(shí)可以采取單一支護(hù)參數(shù)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果不可忽略時(shí)建議對(duì)端部附近區(qū)域的支護(hù)參數(shù)和支護(hù)形式進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。