基于有限差分法的基坑圍護結構變形分析

陳水梅，蘭國冠，劉明松

(龍巖學院 資源工程學院，福建 龍巖 364012)

基于有限差分法的基坑圍護結構變形分析

陳水梅，蘭國冠，劉明松

(龍巖學院 資源工程學院，福建 龍巖 364012)

針對基坑開挖過程圍護結構變形穩定性問題，基于有限差分數值方法，以合肥地鐵大東門車站為研究對象，分析了基坑開挖過程中深基坑土體和圍護結構的內力及變形情況.研究表明：隨著深度的加大，地下連續墻圍護結構水平變形不斷增大，墻體向基坑內不斷發展變形，形態上呈凸肚狀；基坑開挖過程中最大主應力和最大主應力差均在圍護結構上，最大剪應力和塑性區主要分布在基坑的底部和周邊地表；基坑交界處的樁軸力較大，并且軸力變化曲線呈折線形.

地鐵車站；深基坑；圍護結構；FLAC 3D；地下連續墻

0 引 言

地下空間是城市可持續發展的寶貴資源，對地下空間的開發利用是解決當前城市資源和環境危機的有效措施之一.地鐵作為地下空間最常見的地下交通系統的一部分，其車站的基坑圍護結構的穩定性研究是城市地下交通系統建設中面臨的重要課題之一.目前，深大基坑支護已成為大型地鐵車站建造面臨的重要問題，只有安全合理的基坑圍護結構，地鐵車站等大型地下空間開挖施工才具有可行性[1-3].目前，對地鐵車站深基坑工程的研究主要集中在3個方面，即，基坑自身穩定性問題、圍護結構穩定性問題和土體的變形問題[4-8].此外，還涉及更廣的環境和土壓力理論等方面問題，而在數值模擬計算中還涉及到開挖應力下的巖土體本構關系問題.對此，本研究運用有限差分原理，對合肥地鐵大東門站與新交通大廈深大基坑的開挖與支護過程進行數值模擬，據此分析基坑圍護結構變形、基坑開挖土體與圍護結構內力變化規律等.

1 工程概況與建模分析

1.1 工程概況及施工方案設計

1.1.1 工程概況.

作為研究對象的地鐵車站為合肥地鐵1號線與2號線換乘車站，四周現有建筑物林立，建筑物距離車站主體最近處僅為5 m.工程施工過程中，若圍護結構產生較大位移或土體坍塌，會對已有建筑的穩定產生不利影響，并且會引起基坑土體變形及地面沉降.此外，周邊建筑物對相鄰一側基坑側壁產生的附加荷載增加了支護結構的受力，不利于支護結構的穩定，并給工程施工帶來影響.

1.1.2 工程施工方案設計.

1)工程基坑平面及樁體布置如圖1所示.根據工程設計方案，地鐵車站主體及部分附屬結構擬采用明挖施工，車站結構底板埋深約為32 m，埋置標高約為-16.5 m.遠期二號線車站結構底板埋深約為26 m，埋置標高約為-10.5 m.車站主體結構支護采用地下連續墻支護型式，風道與主體連接處采用高壓旋噴加固，2號線的圣大國際酒店附近采用旋噴樁加固.車站基坑主體結構采用地下連續墻止水結合坑內降水的方式處理地下水，此方案要求施工前先進行坑內降水，且施工過程中坑內水位保持在車站底板2 m以下.

圖1基坑平面及樁體布置圖

2)新交通大廈樁位布置如圖2所示.根據工程施工方案，基坑采用逆作法施工.在不影響計算精度要求下，本基坑擬分為6步進行模擬開挖，開挖工況及步驟如表1所示.

注：視圖中樁徑放大2倍

1.2 模型建立

考慮到模型的復雜性與計算結果的精確度，本研究在模型離散過程中采用加密單元方法對樓板、地下連續墻、開挖土體及其周邊巖土體進行了單元加密處理，離散后的計算模型如圖3所示，其中圖3(b)為計算模型過樁1沿1號線主體基坑軸線剖面圖.

模型坐標原點取在1號樁中心點，地表z=0，模型X軸方向(垂直1號線主體基坑軸線)為390 m，Y軸方向(平行1號線主體基坑軸線)300 m，Z軸方向(垂直向上)長100 m，即模型尺寸390 m×300 m×100 m.土層、地下連續墻、頂樓板、中間板、底板均采用實體單元，實體單元采用四面體單元，離散后的單元數為297 495個，節點數為51 250個.

圖3離散后的計算模型

1.3 初始應力場及邊界條件

地下工程開挖引起的土體應力、位移變化是在原來土體初始應力狀態下發生的，原始巖體應力直接關系到計算結果的可靠性.假定巖體為均質、連續的各項同性體，模型加載的初始應力場為自重應力場，則應力計算公式為，

σz=γ·H

(1)

(2)

式中，μ為泊松比；H為巖體至地表的距離，m；γ為上覆巖層容重，N/m3；σx、σy、σz分別為X、Y、Z方向的自重應力場，MPa.

此外，基坑開挖過程中，土體還受到周邊建筑物的偏壓作用，模擬計算過程中建筑偏壓均按均布荷載作用到地表相應位置，在充分考慮邊界效應的情況下，模型四周及底面的約束設定為滾支承約束.

1.4 計算參數選取

現場勘探發現，基坑范圍內主要土層為，粉質黏土填土①層、雜填土①1層、黏土②層、粉質黏土②1層、粉土②2層、粉細砂②3層、淤泥質粉質黏土②4層.工程的支撐體系采用鉆孔灌注樁，止水帷幕為高壓旋噴樁，另外再設置內支撐結構支護體系.出入口等埋深較淺部位根據具體情況采用相應的邊坡支護措施.

根據巖土工程勘察報告，該工程地層綜合歸并為雜填土、粉質黏土、砂土和風化巖4種.故在計算時，模型采用Mohr-Coulomb本構模型，其基本力學參數如表2所示，其中，土體彈性模量按經驗取壓縮模量的3倍，泊松比由土體側壓系數反算.地下連續墻、板底板及中間板均采用C30混凝土，各種樁體采用C35混凝土，本構模型均采用線彈性模型.

表2 模型計算基本力學參數

2 計算結果分析

2.1 地連墻圍護結構水平變形影響

根據模擬設計方案，本研究對合肥市地鐵1號線、2號線交匯車站—大東門地鐵站偏壓環境下的深大基坑開挖施工過程及開挖引起土體與圍護結構變形進行了模擬計算.限于篇幅，本研究重點分析不同工況(見表1)下，新交通大廈地下連續墻圍護結構中監控點1和3及結構周邊土體施工力學變形行為(見圖4).

圖4新交通大廈地連墻監測點布置示意圖

監控點1、3在各工況下沿墻體埋深的水平位移變化規律曲線如圖5所示.

由圖5可知，基坑開挖施工對周圍建(筑)物產生擾動，使土體、圍護結構及基坑樁體等產生附加變形和內力.隨著深度的加大，地下連續墻圍護結構水平變形不斷增大，墻體向基坑內不斷發展變形，形態上呈凸肚狀.受周邊建筑附加偏壓環境的影響，凸肚略低于開挖坑底標高，并隨開挖深度的加大，凸肚逐漸向下移動.同時，由于監測點1、3緊挨著基坑，相對應的地下連續墻的水平位移凸肚狀比另外不挨基坑兩側的更明顯.這是因為靠近基坑兩排地下連續墻兩側均有基坑開挖，故在兩側有開挖部分因兩側荷載同時卸下而位移不大.圍護結構各個埋深的整體位移隨開挖的進行不斷增大.

圖5各工況下交通大廈地下連續墻監測點沿埋深水平位移曲線

表3列出了地下連續墻監控點各工況最大水平位移，圖6所示為地下連續墻監控點各工況最大水平位移關系曲線.

表3 地下連續墻監控點各工況下最大水平位移

從圖6可知，監控點1處的位移以X軸方向位移為主導，最大合位移與Ux位移表現一致，而監控點3處的位移以Y軸方向為主導，最大合位移與Uy位移表現一致.聯系表3可知，監控點最終最大位移分別為：監控點1處為6.393 mm，監控點3處為10.802 mm.

該工程的基坑地表沉降位移等值云圖如圖7所示.在工況6下，該工程基坑地下連續墻圍護結構3D剖面視圖的位移等值云圖如圖8所示.

圖6地連墻監控點各工況最大水平位移關系曲線

圖7工程地表沉降位移等值云圖

由圖7可知，地鐵車站與新交通大廈基坑開挖時地表的位移表現為基坑底部地表隆起，基坑周圍地表產生沉降，遠離基坑周圍的地表沉降很小，與Peck理論里的地表沉降曲線表現一致.

圖8工況6下基坑圍護結構位移等值云圖

由圖8可知，基坑開挖對圍護結構的位移會產生影響，其中3個基坑相互影響處的地下連續墻位移最大.

2.2 土體和基坑圍護結構受力分析

根據模擬設計方案，本研究對該工程在偏壓環境下的基坑開挖施工過程及開挖引起土體與圍護結構內力進行了模擬計算.在開挖工況6下，基坑土體和圍護結構最大主應力與最大主應力差等值云圖如圖9、圖10所示.

圖9最大主應力等值云圖

圖10最大主應力差等值云圖

由圖9、圖10可知，基坑開挖過程中最大主應力和最大主應力差均在圍護結構上，尤其拐角處位置.

基坑在各開挖工況下剖面2的剪應力等值云圖如圖11所示.

圖11各開挖工況下剖面2的剪應力等值云圖

由圖11可知，基坑開挖過程中剪應力分布廣，最大剪應力主要分布在基坑開挖的底部和基坑周邊地表.正是因為剪應力的存在，基坑底部土體產生隆起，基坑周圍土體產生沉降.此外，地下連續墻沿墻體縱向附近剪應力較大，這是由于地下連續墻深入土體所產生的反作用力所致.

基坑在開挖工況6下塑性區分布圖如圖12所示.

圖12開挖工況6下塑性區分布圖

由圖12可知，基坑開挖過程中，土體塑性區主要分布在基坑底部、基坑周圍地表和圍護結構基礎底部附近.這就可以很好地解釋基坑開挖過程中，土體主要變形呈現出，基底土體隆起、基坑地表土體沉降和樁底拔起等現象.

2.3 開挖過程中樁體軸力分析

本研究共模擬計算了409個樁體在不同工況開挖下的樁體軸力.限于篇幅，在此僅抽取323、319、403、409號4個樁體的樁軸力統計結果(見圖13)加以分析.

圖13不同開挖工況下樁軸力隨埋深分布曲線圖

由圖13可知，該地鐵車站基坑和新交通大廈基坑交界處的樁軸力都比較大，并且軸力變化曲線呈折線形.而在新交通大廈另外兩側的樁基在開挖第一個工況下軸力值較交界處的大，但最終基坑開挖完成后的軸力最大值與軸力交界處相仿，而未與地鐵車站基坑相鄰的樁軸力變化曲線呈拋物線形.這是因為基坑開挖完成后，上覆土體的移去使得樁周中的土體有效應力減小，樁側摩阻力減小，導致立柱樁的承載力降低.同時由于回彈的作用，樁周存在側摩阻力，雖然側摩阻力的正負和相等，不會影響樁的承載力，但會影響樁周側摩阻力的發展趨勢，從而影響樁的剛度.坑內土體應力釋放而回彈帶動樁上移，樁身上部承受向上的正摩阻力作用，即上拔荷載，樁被抬升，而樁身下部阻止樁的上移，對樁產生向下的負摩阻力.

3 結 論

本研究對地鐵基坑開挖過程對圍護結構的變形影響進行深入探討，分析了基坑開挖過程不同工況下地下連續墻圍護結構水平變形，基坑周圍土體及圍護結構受力變化，地層沉降的變化規律.結果表明：基坑開挖施工對周圍建(筑)物產生擾動，使土體、圍護結構及基坑樁體等產生附加變形和內力；隨著深度的加大，地下連續墻圍護結構水平變形不斷增大，墻體向基坑內不斷發展變形，形態上呈凸肚狀.受周邊建筑附加偏壓環境的影響，凸肚略低于開挖坑底標高，并隨開挖深度的加大，凸肚逐漸向下移動；地下連續墻圍護結構在遠離地鐵車站基坑兩側的最終合位移比靠近地鐵車站兩側大得多；基坑開挖過程中最大主應力和最大主應力差均在圍護結構上，尤其拐角處位置，而最大剪應力和塑性區主要分布在基坑開挖的底部和基坑周邊地表，解釋了基坑開挖容易出現基底隆起、基坑周圍地表沉降及柱底拔起的現象；地鐵車站基坑和新交通大廈基坑交界處的樁軸力都比較大，并且軸力變化曲線呈折線形，而未與地鐵車站基坑相鄰的樁軸力變化曲線呈拋物線形.

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AnalysisofPitSupportStructureDeformationBasedonFiniteDifferenceMethod

CHENShuimei,LANGuoguan,LIUMingsong

(School of Resource Engineering, Longyan University of Technology, Longyan 364012, China)

Urban subway construction is now pretty popular in our country.The scale of transfer station expands and the depth of the pit increases.Therefore,the analysis of the stability of the pot support structure deformation during the deep excavation engineering is of great significance.Based on the Hefei Metro Dadongmen station,the numerical analysis method based on finite difference method is used to study the deformation characteristics and the internal force variation of surrounding soil and supporting structure.The research shows that with the increase of the depth,the horizontal deformation of diaphragm wall retaining structure increases,the deformation of the wall crossing to the foundation pit develops,and its deformation form shows a convex shape;the maximum principal stress and maximum principal stress difference appear around the retaining structure during excavation,and the shear stress and plastic zone distribute over the bottom and surrounding surface of excavation;the piles’ axial force is greater than that at the junction of two foundation pits,and the variation curves show a broken line form.

subway station;deep excavation;retaining structure;FLAC 3D;diaphragm wall

TU94+2

A

1004-5422(2017)04-0421-06

2017-09-26.

福建省教育廳自然科學基金(JA14305)資助項目.

陳水梅(1989 — )，女，碩士，從事巖土與地下結構工程研究.