深基坑圍護結構側向變形空間效應分析

劉繼軍

(中設設計集團股份有限公司 南京市 210014)

0 引言

深基坑是一個具有長、寬和深尺寸的三維空間結構。傳統二維平面應變設計方法并未考慮圍護結構縱向空間效應的影響。大量文獻研究成果表明，深基坑連續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，基坑兩側邊的側向變形存在明顯的三維空間效應，抑制了基坑端部區域的土壓力和位移的發展。

以深圳市地鐵7號線上黃木崗地鐵車站基坑為例，建立基坑三維數值計算模型對基坑開挖的各個階段進行模擬，分析基坑在縱向和深度方向上的側向變形空間效應特點，通過樣條插值方法計算全深度范圍內側向變形分布不均勻系數。為支護結構設計提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

黃木崗站為深圳市地鐵7號線工程的中轉站之一，本站為地下三層島式站臺車站，采用明挖順作法施工，總長約200m。車站圍護結構基坑主體標準段開挖深度約26m，寬度約20m。

1.2 工程地質與水文情況

經勘查擬建場地土的類型為軟弱土～巖石。按成因類型、土層結構及其性狀特征共劃分為6層，各土層厚度及物性參數見表1。

表1基坑土體物理力學指標

1.3 圍護結構設計方案

圍護結構采用厚度為800mm的地下連續墻圍護結構，由于連續墻嵌固深度內土質較好(微風化巖)，嵌固深度為基坑設計深度以下6m，基坑所處地區地下水位較淺，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，對基坑影響較小。基坑共6層內撐，各層內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。支撐與錨桿系統采用的是對撐、角撐結合邊桁架支撐形式。

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稱切斷面邊界，計算前必須對模型設置一個初始條件來使模型網格單元在初始狀態下就獲得初始地應力。土體采用8節點6面體(brick)單元模擬，開挖過程利用空模型(null)來實現。土體本構模型采用適合場地開挖模擬的彈性-理想塑性模型(材料剛度為常數)Mohr-Coulomb(MC)。

2.2 支護參數

連續墻也采用8節點6面體單元模擬，水平梁支撐采用梁(beam)單元模擬。考慮到工作狀態下的微裂縫影響，將C30混凝土剛度乘以0.85的折減系數后帶入計算，坑邊x=100～100.8m和y=10～10.8m處為兩道連續墻。6層內撐中第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強度，鋼支撐的預加軸力取初次計算軸力的60%。支護結構狀況如圖2所示。

2.3 接觸狀況與工況說明

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

表2 墻土接觸面參數

3 基坑側向變形計算結果與分析

3.1 深度方向側向變形空間效應

模型的水平和深度方向位移主要集中在連續墻以及連續墻背后的土體區域，遠離基坑的區域位移值較小。

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

3.2 縱向側向變形空間效應

圖5和圖6分別是連續墻長邊和短邊在各自全長上的側向變形曲線。從圖5可以看出每條曲線的共同特點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變為曲線，然而圖6中各圖線除了中央一小部分區域外基本上都處于曲線狀態，這表明長邊和短邊變形規律存在差異，在基坑縱向上連續墻的側向變形更接近平面應變假設。同時以圖10中深1 m和深15 m的曲線為例，深1 m時直線段大約維持80 m，深15 m時直線段大約維持65 m。由此可見基坑長邊長度和連續墻深度都會對基坑縱向側向變形空間效應影響。

3.3 不均勻系數分析

3.3.1不均勻系數概念

為了對空間效應影響范圍作出準確描述，現定義側向變形不均勻系數k為側向變形曲線段對應的連續墻長度與連續墻總長(這里的總長針對的是1/4模型)的比值，并以此反映某深度下側向變形空間效應程度。

k=ls/l

其中：ls為變形曲線段長度；l為連續墻總長。

表3是根據圖5和圖6中曲線段對長邊和短邊計算得到的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，對于其他位置，例如各橫撐處、坑頂、坑底、對應主體結構各樓板處等位置k值大小我們也需要了解。如果在計算時在以上各個位置均設置一排監測點則顯得過于麻煩。這里采用三次樣條插值方法(這種方法細節這里不作介紹)，以表3中的數據作為插值點，采用自然邊界條件計算不均勻系數k與基坑深度h之間的關系，長邊計算結果如上述公式。對于短邊計算方法相同。

至此我們可以對基坑全深度范圍內的不均勻系數進行計算并依此反推出變形曲線段(空間效應影響區域)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道撐處有必要對基坑兩端各41.3 m范圍內的支護參數和形式進行調整以更好適應側向變形。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域長度。根據此計算結果可以為支護結構提供設計參考。

4 結論

結合實際工程通過三維數值模擬的方法來研究深基坑圍護結構側向變形空間效應問題，取得了一定成效。具體如下：

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

(2)深基坑由于側向變形空間效應的影響，基坑工程側向變形監測時須明確變形的大小、監測位置以便更好地進行支護結構和參數的設計、施工。

(3)長大深基坑在縱向存在空間效應，可采用樣條插值法計算不同位置不均勻系數k，再反推出基坑兩端空間效應影響區域長度。當計算結果相對連續墻總長較小時可以采取單一支護參數。當計算結果不可忽略時建議對端部附近區域的支護參數和支護形式進行單獨設計。