地鐵深基坑傳力構件的受力性能研究

任偉

摘 要：針對鄭州奧體中心站深基坑上部土釘墻+下部灌注樁內支撐的支護特性，提出了一種傳力構件。運用有限元模擬了深基坑支護結構的整體受力性能，對比了未施加傳力構件與施加傳力構件的整體變形特性。模擬結果表明，施加傳構件，能夠有效地減小土體的變形，提高邊坡的穩定性，是地鐵深基坑支護結構的一種較為有效的安全輔助措施。

關鍵詞：深基坑;支護結構;傳力構件;受力性能

0 引言

對于地鐵深基坑邊坡穩定性分析的研究，近幾十年來國內外學者也投入了大量的精力，同時也取得了比較豐碩的研究成果[1-4]。深基坑開挖過程中的基坑穩定問題和支撐內力是一個比較受關注的巖土問題，通常常用的方法包括：極限平衡法和有限元法。本文以鄭州奧體中心站深基坑為工程實例，針對上部土釘墻+下部灌注樁內支撐的支護特性，提出了一種傳力構件，運用有限元法對比了未施加傳力構件與施加傳力構件的整體變形特性，分析了傳力構件的合理性，為相似的地鐵深基坑支護結構提供了借鑒。

1 深基坑邊坡穩定性的有限元分析

在邊坡穩定性分析中，有限元是一種常用的方法，采用有限元軟件可以比較高效地分析和解決實際工程問題，并能夠得到比較可靠的運行結果。通過有限元網格劃分，將復雜的邊坡看作由有限個單元組成的整體，單元與單元之間由節點相互聯系。

根據虛功原理，均質堤防土體中體系外力的虛功與內力的虛功等于零，即變形體內的應力在虛應變上所做的功與體積力和面積力在虛位移上所做之功相等，即：

式中：為各有限單元法中土體單元中的虛位移場;為虛應變;為土體單元受到的面外荷載;為土體單元受到的體積外荷載。

有限元法能夠將基坑邊坡的穩定和位移的發展聯系起來。在基坑開挖的現場觀測中只能測出位移的發展，無法測出安全系數，將基坑邊坡的穩定性和位移的發展聯系起來就可以依據位移估計安全性的變化，這對施工過程中監測和控制邊坡的穩定性是非常重要的。

2 深基坑傳力構件的受力性能分析

運用有限元軟件進行數值模擬，土層的主要物理力學參數見下表1。鋼筋混凝混凝土灌注樁和傳力構件的參數見表2，在數值模擬時，對排樁進行了簡化，實際工程采用的灌注樁直徑1.2 m、間距1.4 m，按剛度等價換算混凝土地下連續墻（強度折減系數0.35），傳力構件主要為鋼材，其材料參數參考HRB400鋼筋。

2.1 未施加傳力構件的整體變形分析

建立的有限元模型劃分網格如圖1所示。施加約束如下：底部固定約束、左右兩側軸向約束、前后兩側軸向約束、上部自由，將支撐軸力均布到圍檁上，第1道混凝土支撐施加軸向位移約束，第2、3、4、5道分別施加壓力25 kPa、20 kPa、20 kPa、20 kPa，豎向施加重力加速度。

通過數值模擬計算，得到了位移三維云圖，如圖3所示，并進一步給出了基坑頂、一級坡平臺、二級坡平臺（冠梁頂）、基坑底等位置處的水平剖面云圖，分別如圖2所示。

從圖2可以看出，在土體主動土壓力的作用下，樁頂以上土釘墻段會產生向基坑方向的位移（即圖中的x軸的負向位移），最大水平位移為0.014 98 m，即14.98 mm，該數值與實測最大水平位移15.1 mm非常接近，誤差僅為0.79%。從圖2可以看出，上部土體的位移云圖呈圓弧狀分布，和土體的滑移線形狀接近。上述結果驗證了采用有限元模擬的合理性。

2.2 施加傳力構件的整體變形分析

建立的傳力構件有限元模型如圖3所示。邊界條件與未施加傳力構件相同。通過數值模擬計算，得到了基坑頂、一級坡平臺、二級坡平臺（冠梁頂）、基坑底等位置處的水平剖面云圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，施加傳力構件后與施加傳構件之前的基坑頂、一級坡平臺、二級坡平臺（冠梁頂）、基坑底等位置處的水平剖面云圖變化規律一致。由于傳力構件施加在二級坡的底部，對地表的位移的影響較小，地表的最大水平位移為14.01 mm，比未施加傳力構件時的14.98 mm減小了6.5%。在二級平臺處，施加傳力構件后的最大水平位移9.24 mm，比未施加傳力構件時的11.72 mm減小了21.16%，減小幅度比較大。

上述結果表明，施加傳構件，能夠有效地減小土體的變形，提高邊坡的穩定性，是地鐵深基坑支護結構的一種較為有效的安全輔助措施。

2.3 傳力構件的受力性能分析

傳力構件的截面尺寸為100 mm*100 mm的正方形截面，通過數值模擬得到的傳力構件的應力云圖如圖5所示，傳力構件受到的最大應力為78.7 MPa，對應集中力為787 kN，需要的傳力構件的凈截面為3 839 mm2，采用I22b工字鋼可以滿足要求（凈截面為3 955 mm2），間距5.0 m。

3 結論

施加傳力構件，能夠有效地減小土體的變形，提高邊坡的穩定性，是地鐵深基坑支護結構的一種較為有效的安全輔助措施。計算結構表明：施加傳力構件后，地表的最大水平位移為14.01 mm，減小6.5%，二級平臺處的最大水平位移9.24 mm，減小21.16%。

參考文獻：

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