土層蠕變特性對(duì)基坑臨近樁基的影響規(guī)律研究

葛海芳，姜育科，沈才華，董玉翔

(1.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800； 2.中交南京交通工程管理有限公司，江蘇 南京 211800； 3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

軟土層基坑開(kāi)挖的變形量往往較大，大型基坑施工期時(shí)間長(zhǎng)，有的幾個(gè)月才能完工，軟土擾動(dòng)后變形的時(shí)間效應(yīng)加大了基坑及周邊臨近建筑位移安全預(yù)測(cè)的難度，因此有必要進(jìn)行考慮軟土層蠕變特性下的基坑開(kāi)挖位移變形規(guī)律研究。地下開(kāi)挖工程中蠕變變形預(yù)測(cè)的研究常用理論計(jì)算法和數(shù)值模擬法，其中，理論計(jì)算法多用于結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的隧道，王華寧等[1-3]運(yùn)用復(fù)變函數(shù)理論，求出新建隧道與既有隧道附近土體變形與應(yīng)力的理論解、開(kāi)挖位移和應(yīng)力場(chǎng)的求解方法和解析解以及各施工階段力學(xué)響應(yīng)解析解的一般求解方法。夏長(zhǎng)青[4]采用半解析法對(duì)分層地基一維流變固結(jié)問(wèn)題進(jìn)行求解，并研究了土體流變性能對(duì)固結(jié)問(wèn)題的影響規(guī)律。但對(duì)于大埋深、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的隧道或基坑，理論分析法的局限性較大，因此多采用數(shù)值分析法。張周鑫等[5]針對(duì)深部巷道選用Burger蠕變模型，對(duì)圍巖壓力條件不同時(shí)隧道圍巖蠕變進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)有流變現(xiàn)象的圍巖一般表現(xiàn)為前兩個(gè)階段，第三階段蠕變很少出現(xiàn)；蠕變時(shí)間越長(zhǎng)，圍巖變形量、變形速率以及應(yīng)力越大，并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。張素敏等[6]依托新建貴廣鐵路東科嶺隧道，采用Burgus本構(gòu)模型進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖后時(shí)間越長(zhǎng)隧道徑向位移越小，而隧道縱向位移與時(shí)間的關(guān)系成比例增大。任松等[7]選用ANSYS隱式蠕變11號(hào)方程對(duì)四面山隧道施工全過(guò)程進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)圍巖出現(xiàn)典型的減速蠕變和等速蠕變階段，且減速蠕變階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)變率隨時(shí)間增加而變小。程錦中等[8]依托西藏某隧道工程，選用Burgers黏彈塑性模型，對(duì)蠕變作用下初始應(yīng)力條件不同時(shí)圍巖總位移和殘余應(yīng)力的變化情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)Maxwell動(dòng)力黏度是影響位移和應(yīng)力的主要因素。林志斌等[9]依托深圳地鐵11號(hào)線前海灣站基坑，選用CVISC流變模型，對(duì)不同計(jì)算條件下基坑變形進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，樁基的位移和位置與開(kāi)挖時(shí)間呈指數(shù)衰減關(guān)系?？梢?jiàn)對(duì)于周邊環(huán)境復(fù)雜的情況采用數(shù)值模擬考慮時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行地下開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模擬更符合實(shí)際情況，因此本文結(jié)合實(shí)際工程，采用ANSYS有限元軟件中3號(hào)隱式蠕變方程(Generalized Exponential)結(jié)合西原正夫模型，考慮復(fù)雜地鐵站區(qū)域開(kāi)挖基坑的蠕變變形規(guī)律，為施工設(shè)計(jì)提供參考。

1 明挖法基坑開(kāi)挖模擬模型的構(gòu)建

1.1 幾何模型的建立

地鐵站采用樁基框架式結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化數(shù)值模擬模型的垂直軸向正剖圖和側(cè)視圖見(jiàn)圖2，圖3。

地鐵站主體結(jié)構(gòu)的樁基直徑為1.2 m，天橋及附屬結(jié)構(gòu)的樁基直徑為0.6 m。天橋結(jié)構(gòu)承臺(tái)厚度為0.8 m，框架結(jié)構(gòu)墩柱為長(zhǎng)寬均為1.5 m立方體，天橋結(jié)構(gòu)的柱為長(zhǎng)寬均為0.6 m的立方體，橋板厚度均為1.3 m。模型單元采用ANSYS三維Solid185單元。該模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=90 m×130 m×50 m，共174 014個(gè)單元，181 476個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)初步分析顯示，地鐵站樁基的變形總量較小，樁基與周邊土層在基坑開(kāi)挖后產(chǎn)生的相對(duì)位移總量也很小，為了簡(jiǎn)化模型，樁基與土之間不設(shè)摩擦滑移單元，樁基使用截面慣性矩等效的原則將圓截面轉(zhuǎn)化成正方形截面進(jìn)行計(jì)算。簡(jiǎn)化后建立的單側(cè)基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬模型如圖4所示。

為全面分析基坑開(kāi)挖過(guò)程地層中空間變形分布情況，選取典型控制位置的地表路徑和深度路徑進(jìn)行位移變化分析。所選路徑主要包括：開(kāi)挖基坑周邊地表路徑PATH1、主體結(jié)構(gòu)主樁基深度路徑PATH2、附屬結(jié)構(gòu)天橋樁基深度路徑PATH3以及軌道樁基承臺(tái)邊緣地表路徑PATH4，具體路徑分布平面圖和立面圖見(jiàn)圖5，圖6。

1.2 流變模型及參數(shù)的確定

地質(zhì)條件較差，存在較厚的淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土，為了更好的進(jìn)行規(guī)律性分析，本文主要針對(duì)具有蠕變特性的單一厚軟土層進(jìn)行分析，該地區(qū)軟土層蠕變參數(shù)參考蘇伯芩[10]、謝新宇等[11]、鄧岳保等[12]學(xué)者在該地區(qū)的試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，實(shí)驗(yàn)值顯示該軟土層蠕變規(guī)律比較符合西原正夫模型，因此本文采用ANSYS軟件中包含西原正夫模型規(guī)律的隱式蠕變方程進(jìn)行模擬。

西原正夫本構(gòu)模型的蠕變方程為：

當(dāng)σ<σs：

(1)

當(dāng)σ≥σs：

(2)

根據(jù)軟土層試驗(yàn)結(jié)果顯示，在幾個(gè)月的基坑施工時(shí)間和卸載大小的尺度內(nèi)，一般不會(huì)出現(xiàn)加速蠕變破壞階段，因此可只考慮σ<σs的部分，對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到其對(duì)應(yīng)的用蠕變速率表示的蠕變方程：

(3)

通過(guò)對(duì)比分析結(jié)合西原正夫蠕變方程，選擇3號(hào)隱式蠕變方程(Generalized Exponential)對(duì)基坑開(kāi)挖圍巖蠕變進(jìn)行模擬分析，方程如下：

?ε/?t=C1σC2rexp(-rt)

(4)

其中：

r=C5σC3exp(-C4/T)

(5)

因此3號(hào)隱式方程可以寫(xiě)成：

?ε/?t=
C1C5exp(-C4/T)σC2σC3exp[-C5σC3exp(-C4/T)t]

(6)

分析可以發(fā)現(xiàn)，隱式3號(hào)方程可以通過(guò)簡(jiǎn)化模擬西原正夫模型，令C2=1,C3=C4=0，則3號(hào)隱式方程式(6)可以簡(jiǎn)化為：

?ε/?t=C1C5σexp(-C5t)

(7)

對(duì)比式(3)和式(7)，可得方程組：

1/η=C1C5
E2/η=C5
C2=1
C3=C4=0

(8)

因此只要確定E1,E2,η(E1為彈性階段的彈性模量；E2為黏彈性模量；η為黏性系數(shù))，就可以求出方程組中的參數(shù)C1和C5，就可以使用ANSYS中3號(hào)蠕變方程模擬西原正夫本構(gòu)模型。

地區(qū)蠕變參數(shù)實(shí)測(cè)值如表1所示。

表1 地區(qū)蠕變參數(shù)實(shí)測(cè)值

最終確定蠕變模型的參數(shù)如表2所示。

表2 考慮時(shí)間效應(yīng)時(shí)土體參數(shù)表

2 時(shí)間效應(yīng)下地表及樁基結(jié)構(gòu)物變形規(guī)律

由于軟土體的流變性能顯著，為了研究理想狀態(tài)下蠕變時(shí)間效應(yīng)對(duì)于橫縱方向地表位移、主體結(jié)構(gòu)樁基位移、上部結(jié)構(gòu)Y向位移和Z向位移、附屬結(jié)構(gòu)物(天橋)的樁基位移、附屬結(jié)構(gòu)物(天橋)上部結(jié)構(gòu)Y向位移和Z向位移以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻)的Y向和Z向位移擾動(dòng)影響，本文考慮無(wú)支護(hù)情況下基坑樁基及地表變形并將土層視作均勻地層。

2.1 時(shí)間效應(yīng)下地表變形規(guī)律

1)明挖法基坑開(kāi)挖地表橫向路徑PATH1(如圖7，圖8所示)。

從圖7,圖8可見(jiàn)，隧道基坑開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間積累后，地表橫向路徑的總位移曲線大致相似。地表位移由基坑邊緣向遠(yuǎn)離基坑的方向逐漸變小，且變化的速率明顯呈現(xiàn)出越靠近基坑位移變化越快的規(guī)律。

而且可以觀察到單側(cè)基坑開(kāi)挖完成后到開(kāi)挖完成1 000 000 s(≈11.6 d)期間，靠近基坑開(kāi)挖的地表處位移變形劇烈，從50.2 mm增長(zhǎng)至95.2 mm，增長(zhǎng)了89.64%，此后的23.1 d，46.27 d，94.14 d中增大的位移量?jī)H為前11.6天的13.16%，9.7%，3.5%，因此，在基坑開(kāi)挖完成后至11.6 d期間，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，防止變形過(guò)大，影響施工安全。此外，基坑開(kāi)挖完成11.6 d后，隨著與基坑距離的增大，此工況出現(xiàn)了位移的小幅增大，達(dá)到66.5 mm，需要引起重視。而當(dāng)基坑開(kāi)挖100 000 000 s(≈1 157.4 d≈3.17 a)后，與10 000 000 s(≈115.74 d)各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本相近，在中間的2.85 a中，靠近基坑一側(cè)的位移僅變化0.03 mm，遠(yuǎn)離基坑一側(cè)的位移僅變化0.1 mm，可以判斷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)明挖法基坑開(kāi)挖地表縱向路徑PATH4(見(jiàn)圖9，圖10)。

從圖9,圖10可見(jiàn)，隧道基坑開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間積累后，地表縱向路徑的總位移曲線大致相似。距離基坑最近的軌道承臺(tái)邊緣沿軌道軸線方向的變形呈現(xiàn)出高低起伏的姿態(tài)，且將高架車(chē)站的框架與圖上的位置相對(duì)應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)靠近高架承臺(tái)(同時(shí)也是柱、樁的位置)處的位移出現(xiàn)減小，且在靠近天橋的位置，位移的減小更加明顯。

而且可以觀察到單側(cè)基坑開(kāi)挖完成后到開(kāi)挖完成1 000 000 s(≈11.6 d)期間，位移最大值從16.9 mm增長(zhǎng)至63.4 mm，增長(zhǎng)了275.14%，此后的23.1 d,46.27 d,94.14 d位移量分別減小了6.8 mm，2.2 mm，0.3 mm，因此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)基坑完成后至11.6 d之間的監(jiān)管，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。除此之外，從圖中可以發(fā)現(xiàn)PATH4上位移的最大值出現(xiàn)在路徑的開(kāi)頭即距離高架結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)的位置，位移的最小值出現(xiàn)在天橋附近的位置即承臺(tái)、樁基最為集中的位置。而當(dāng)基坑開(kāi)挖100 000 000 s(≈1 157.4 d≈3.17 a)后，與10 000 000 s(≈115.74 d)各項(xiàng)數(shù)據(jù)基本相近，在中間的2.85 a中，PATH4路徑上各個(gè)位移值幾乎沒(méi)有變化，可以判斷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 時(shí)間效應(yīng)下主體結(jié)構(gòu)樁基及上部結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

1)該地鐵站站主體結(jié)構(gòu)樁基路徑PATH2(如圖11，圖12所示)。

從圖11，圖12可見(jiàn)，隧道基坑開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間積累后，高架樁基位移曲線大致相似。高架樁基位移由地表向深度方向慢慢變大，在深度為15 m左右的位移達(dá)到位移的最大值，之后位移開(kāi)始減小，在深度為40 m左右的位置收斂于0，整個(gè)位移曲線呈現(xiàn)出先增大后減小的形狀。

而且可以觀察到單側(cè)基坑開(kāi)挖完成后到開(kāi)挖完成1 000 000 s(≈11.6 d)期間，樁基變形劇烈，達(dá)到了83.5 mm，為剛開(kāi)挖完成后的11.5倍，此后的23.1 d,46.27 d,94.14 d位移量分別減小了5.2 mm，2.4 mm，0.6 mm，因此，在基坑開(kāi)挖完成后至11.6 d期間，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)樁基位移的監(jiān)控，尤其是在深度為15 m左右時(shí)的位移，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。而當(dāng)基坑開(kāi)挖100 000 000 s(≈1 157.4 d≈3.17 a)后，與10 000 000 s(≈115.74 d)各項(xiàng)數(shù)據(jù)基坑相近，在中間的2.85 a中，位移曲線的數(shù)據(jù)沒(méi)有變化，可以判斷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)主體結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)Y向位移。

主體結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)最大、最小Y向位移以及傾斜度隨著時(shí)間的改變的變化情況如圖13，圖14所示。

根據(jù)圖13，圖14可以看出，Y向正位移總體呈現(xiàn)出隨著開(kāi)挖后時(shí)間的推移而先增大后輕微減小的趨勢(shì)，位移量最大值峰值為73.692 mm，最小值峰值為20.24 mm，出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖后1 000 000 s(≈11.6 d)，且在開(kāi)挖后10 000 000 s(≈115.74 d)至100 000 000 s(≈1 157.4 d≈3.17 a)時(shí)，Y正向位移最大值有輕微的增大，為2.03 mm左右，因此在開(kāi)挖3.17 a后，可能未達(dá)到完全穩(wěn)定狀態(tài)，可能還有位移的增加；而Y正向位移最小值變化為不到0.1 mm，可以判定基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)規(guī)范要求[13-14]，高架結(jié)構(gòu)傾斜度規(guī)范值為0.002，當(dāng)水平位移差超過(guò)32.86 mm即基坑開(kāi)挖后5.8 d時(shí)，不滿足規(guī)范要求。因此，應(yīng)當(dāng)在此范圍內(nèi)，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，控制變形，使其符合規(guī)范要求。

3)主體結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)Z向沉降。

主體結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)最大、最小Z向沉降隨著時(shí)間的改變以及差異沉降值如圖15，圖16所示。

考慮時(shí)間效應(yīng)的各個(gè)工況存在沉降與隆起同時(shí)出現(xiàn)在高架車(chē)站中，且隆起的位移值大于沉降的位移值。在繪制的折線圖中用沉降負(fù)值來(lái)表達(dá)隆起。在基坑開(kāi)挖后至基坑開(kāi)挖1 000 000 s(≈11.6 d)后，高架車(chē)站主體結(jié)構(gòu)最大沉降量從0.117 mm迅速增長(zhǎng)至25.068 mm，此后34.7 d，57.87 d，115.74 d最大沉降量有所下降，分別達(dá)到了15.299 mm，8.967 mm，6.934 mm；最大隆起量從4.839 mm迅速增長(zhǎng)至24.328 mm，此后34.7 d，57.87 d，115.74 d隆起量緩慢增大，分別為31.153 mm，35.913 mm，37.609 mm。基坑開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)100 000 000 s(≈1 157.4 d≈3.17 a)，最大沉降量為6.9 mm，最大隆起量為37.639 mm。與之前工況相比，經(jīng)過(guò)的2.85 a中，最大沉降量?jī)H變化0.034 mm，最大隆起量?jī)H變化0.03 mm，可以認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

觀察可以發(fā)現(xiàn)，最大沉降出現(xiàn)的位置一般都發(fā)生在靠近開(kāi)挖基坑一側(cè)的高架框架結(jié)構(gòu)；最大隆起出現(xiàn)的位置一般都發(fā)生在遠(yuǎn)離開(kāi)挖基坑一側(cè)的高架框架結(jié)構(gòu)。同時(shí)由云圖可以觀察到，沿路線縱向方向，Z向位移值保持不變，變形較為規(guī)則。

由圖可以看出隨著土體開(kāi)挖后時(shí)間的推移，高架車(chē)站框架結(jié)構(gòu)的差異沉降量呈現(xiàn)出隨時(shí)間增大而后輕微減小，最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。高架車(chē)站的差異沉降量最大為49.396 mm，處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)為44.539 mm。按規(guī)范規(guī)定：該地鐵站結(jié)構(gòu)的差異沉降控制指標(biāo)：0.002L(L為相鄰柱之間的距離)，本工況中L取20.4 m(高架車(chē)站頂面橫向?qū)挾?，因此差異沉降量規(guī)范值為40.8 mm。在開(kāi)挖完成后9.36 d高架車(chē)站結(jié)構(gòu)的差異沉降量超過(guò)此規(guī)范值，應(yīng)當(dāng)在此期間內(nèi)，及時(shí)采取措施，使其符合規(guī)范要求。

2.3 時(shí)間效應(yīng)下附屬結(jié)構(gòu)物(天橋)及上部結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

1)附屬結(jié)構(gòu)物(天橋)樁基位移路徑PATH3(見(jiàn)圖17，圖18)。

從圖17，圖18可見(jiàn)，隧道基坑開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間積累后，天橋樁基位移曲線大致相似。天橋樁基位移由地表向深度方向慢慢變大，在深度為11.5 m左右的位移達(dá)到位移的最大值，之后位移開(kāi)始緩慢減小，在深度為24 m左右處位移開(kāi)始快速減小，在深度為40 m左右的位置收斂于0，整個(gè)位移曲線呈現(xiàn)出先增大后緩慢減小再快速減小的規(guī)律，整個(gè)曲線可以總結(jié)為“弓”字型。

而且可以觀察到單側(cè)基坑開(kāi)挖完成后至開(kāi)挖完成1 000 000 s(≈11.6 d)期間，天橋樁基最大位移從14.1 mm增長(zhǎng)至120.15 mm，增加了752.15%，此后的各個(gè)工況中天橋樁基位移的最大值保持平穩(wěn)，可以判斷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2)附屬結(jié)構(gòu)物(天橋)上部結(jié)構(gòu)Y向位移。

天橋上部結(jié)構(gòu)最大、最小Y向位移隨著時(shí)間的改變的變化情況如圖19所示。右側(cè)天橋傾斜度的變化見(jiàn)圖20。

根據(jù)圖19，圖20可以看出，在基坑開(kāi)挖完成后至開(kāi)挖完成1 000 000 s(≈11.6 d)期間，Y向正位移與負(fù)位移均快速增長(zhǎng)，Y向正位移從13.248 mm增長(zhǎng)至56.906 mm，Y向負(fù)位移從16.845 mm增長(zhǎng)至47.048 mm，且在總體上呈現(xiàn)出隨著開(kāi)挖后時(shí)間的推移而先增大后減小的趨勢(shì)，在開(kāi)挖后115.74 d至3.17 a時(shí)，Y向正位移值變化為0.026 mm，負(fù)位移值變化為0.012 mm，可以判定基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)右側(cè)天橋上部平面的位移分別為-3.47 mm，10.704 mm，7.235 mm，5.547 mm，4.999 mm，4.99 mm。分別于Y向位移最大值和最小值作差，求得水平位移差值，進(jìn)行比較得出最大水平位移差值，再除以天橋高度(16.43 m)得出天橋上部結(jié)構(gòu)的傾斜度，發(fā)現(xiàn)在基坑開(kāi)挖完成4.64 d后，已不滿足規(guī)范要求，應(yīng)當(dāng)在此期間內(nèi)采取相應(yīng)措施使其符合要求。

3)附屬結(jié)構(gòu)物(天橋)上部結(jié)構(gòu)Z向沉降。

附屬結(jié)構(gòu)物(天橋)上部結(jié)構(gòu)最大、最小Z向沉降隨著時(shí)間的改變的變化情況如圖21所示。

根據(jù)圖21可以看出，在基坑開(kāi)挖完成后至開(kāi)挖完成1 000 000 s(≈11.6 d)期間，Z向正位移與負(fù)位移均快速增長(zhǎng)，Z向負(fù)位移增長(zhǎng)至44.279 mm，Z向正位移增長(zhǎng)至72.151 mm，且Z向負(fù)位移在總體上呈現(xiàn)出隨著開(kāi)挖后時(shí)間的推移而先增大后減小的趨勢(shì)，Z向正位移在總體上呈現(xiàn)出隨著開(kāi)挖后時(shí)間的推移而增大的趨勢(shì)，在開(kāi)挖后115.74 d至3.17 a時(shí)，Y向負(fù)位移值變化為0.071 mm，正位移值變化為0.038 mm，可以判定基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

右側(cè)天橋上部結(jié)構(gòu)的差異沉降隨時(shí)間的變化圖如圖22所示。

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)右側(cè)天橋的最大、最小沉降往往表現(xiàn)在橫向方向的兩端，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，右側(cè)天橋的左端為Z向隆起的最大值處。開(kāi)挖后分別經(jīng)過(guò)1 s，1 000 000 s(≈11.6 d)，3 000 000 s(≈34.7 d)，5 000 000 s(≈57.87 d)，10 000 000 s(≈115.74 d)，100 000 000 s(≈1 157.4 d≈3.17 a)右側(cè)天橋右端的位移值分別為6.375 mm，22.287 mm，31.805 mm，34.992 mm，35.049 mm。分別于右側(cè)天橋隆起值的最大值和最小值作差，求得垂直位移差值。按規(guī)范規(guī)定：地鐵站結(jié)構(gòu)的差異沉降控制指標(biāo)：0.002L(L為相鄰柱之間的距離)，本工況中L取30.15 m(天橋結(jié)構(gòu)頂面橫向?qū)挾?，因此差異沉降量規(guī)范值為60.3 mm。而在基坑開(kāi)挖完成10.7 d后，已不滿足規(guī)范要求，應(yīng)當(dāng)在此期間內(nèi)采取相應(yīng)措施使其符合要求。

2.4 時(shí)間效應(yīng)下隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律

1)地下連續(xù)墻Y向位移。

地下連續(xù)墻最大、最小Y向位移隨著時(shí)間改變的變化情況如圖23所示。

根據(jù)圖23可以看出，在基坑開(kāi)挖完成后至開(kāi)挖完成1 000 000 s(≈11.6 d)期間，地下連續(xù)墻Y向正位移與負(fù)位移均快速增長(zhǎng)，Y向正位移增長(zhǎng)至122.851 mm，Y向負(fù)位移增長(zhǎng)至126.002 mm，且在總體上呈現(xiàn)出隨著開(kāi)挖后時(shí)間的推移而先增大后減小的趨勢(shì)，在開(kāi)挖后115.74 d至3.17 a時(shí)，Y向正位移值變化為0.034 mm，負(fù)位移值變化為0.044 mm，可以判定基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。Y向正向位移出現(xiàn)在左側(cè)的地下連續(xù)墻；Y向的負(fù)向位移出現(xiàn)在右側(cè)的地下連續(xù)墻，因此基坑的兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)是受土體擠壓向開(kāi)挖空間產(chǎn)生位移。

2)地下連續(xù)墻Z向沉降。

地下連續(xù)墻最大、最小Z向沉降隨著時(shí)間的改變的變化情況如圖24所示。

根據(jù)圖24可以看出，地下連續(xù)墻Z向正位移與負(fù)位移總體呈現(xiàn)出隨著開(kāi)挖后時(shí)間的推移而增大的趨勢(shì)，且增大的速度越來(lái)越慢，在基坑開(kāi)挖完成后至開(kāi)挖完成1 000 000 s(≈11.6 d)期間，地下連續(xù)墻Y向正位移與負(fù)位移均快速增長(zhǎng)，Y向正位移增長(zhǎng)至59.931 mm，Y向負(fù)位移增長(zhǎng)至95.662 mm，在開(kāi)挖后115.74 d至3.17 a時(shí)，Y向正位移值變化為0.044 mm，負(fù)位移值變化為0.036 mm，可以判定基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

Z向正向位移最大值出現(xiàn)在左側(cè)(靠近高架一側(cè))的地下連續(xù)墻的上部；Z向正向位移最小值出現(xiàn)在右側(cè)(遠(yuǎn)離高架一側(cè))的地下連續(xù)墻的上部，且Z向位移均為正值，說(shuō)明連續(xù)墻均表現(xiàn)為向上隆起。因此基坑的左側(cè)(靠近高架一側(cè))的連續(xù)墻是偏危險(xiǎn)的，右側(cè)(遠(yuǎn)離高架一側(cè))連續(xù)墻是偏安全的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托某地鐵站規(guī)劃方案項(xiàng)目，采用基坑明挖法作為推薦施工方案，針對(duì)軟土層的變形破壞力學(xué)特征，選擇流變本構(gòu)模型(西原正夫模型)利用ANSYS有限元三維數(shù)值模擬技術(shù)，研究均勻土層下考慮時(shí)間效應(yīng)的情況下，樁基結(jié)構(gòu)物(包括樁基、上部結(jié)構(gòu)、隧道襯砌)和附近地表在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形規(guī)律。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下：

1)通過(guò)公式的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)ANSYS中3號(hào)蠕變方程參數(shù)與西原正夫模型參數(shù)的聯(lián)系，能夠較好地預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖后土層的蠕變特性對(duì)臨近樁基的影響規(guī)律。

2)在開(kāi)挖過(guò)程中最需要注意的是時(shí)間的影響，特別是開(kāi)挖完成后的前10天左右，樁基結(jié)構(gòu)物及地表變形劇烈，需要對(duì)于基坑以及上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

3)在基坑開(kāi)挖完成5.8 d后，車(chē)站上部結(jié)構(gòu)傾斜值不滿足規(guī)范要求，基坑開(kāi)挖完成9.36 d后，差異沉降量不滿足規(guī)范要求；基坑開(kāi)挖完成4.64 d后，天橋上部結(jié)構(gòu)傾斜值不滿足規(guī)范要求，基坑開(kāi)挖完成10.7 d后，差異沉降量不滿足規(guī)范要求。除此以外，地下連續(xù)墻的Y向位移受土體擠壓向開(kāi)挖空間位移。因此需要加強(qiáng)對(duì)車(chē)站以及天橋上部結(jié)構(gòu)的傾斜度和差異沉降量的監(jiān)測(cè)和保護(hù)且地下連續(xù)墻需要添加橫向支撐來(lái)減小變形。

4)在軟土層蠕變特性的影響下，樁基結(jié)構(gòu)物和附近地表的位移在開(kāi)挖后115.74 d均達(dá)到穩(wěn)定。地表位移值以及樁基結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)位移值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)為剛開(kāi)挖完成時(shí)的3倍左右。樁基頂部位移為剛開(kāi)挖完成的6倍左右；樁基中部位移的時(shí)間效應(yīng)顯著，為剛開(kāi)挖完成的11倍左右。