黃土地區地鐵車站基坑變形數值分析★

楊海峰，牛錦濤，商寧坤，吳 明

(1.信息產業部電子綜合勘察研究院,陜西 西安 710054; 2.長安大學地質工程系,陜西 西安 710054)

0 引言

目前全國各大城市地鐵建設緊鑼密鼓,地鐵建設中車站基坑往往比較深,而且基坑開挖多處于城市繁華中心。那么對于深基坑開挖所引起的圍護結構和地面變形研究非常重要,其對于基坑安全施工,節約工程造價有著指導意義。以文獻[1-2]為代表的大量研究主要是軟土地區的基坑成果,不完全適用于黃土地區。為此,許多研究者[3-7]對黃土地區的基坑進行監測資料規律性總結和施工過程數值分析。盡管如此,黃土地區的研究成果相對于軟土地區少之又少。近年來隨著計算機技術發展,數值方法研究日新月異,研究人員和工程師[8-11]利用數值手段研究基坑開挖過程力學行為和變形規律,對于基坑研究非常有幫助。因此,本文擬從數值計算角度研究黃土地區某基坑施工引起的圍護結構和地面變形,以期對于黃土地區基坑研究提供一定借鑒。

1 工程概況和場地地質條件

1.1 工程概況

西安地鐵某地鐵車站主體基坑平面尺寸146.84 m×26.96 m,基坑深度約17.84 m,局部深度18.91 m。如圖1所示,基坑圍護采用φ1 000@1 400 mm旋挖樁,設三道內支撐。樁間采用掛鋼筋網噴射混凝土擋土,支護樁嵌固深度為5 m,6 m和7 m。第一道支撐為寬1 200 mm×高1 400 mm(路面鋪蓋下)和寬1 200 mm×高800 mm鋼筋混凝土撐,水平間距約6 m;第二、三道支撐為φ600×14 mm鋼支撐,預加軸力600 kN和500 kN,水平間距約3 m,支撐軸力約1 944 kN;腰梁采用2 Ⅰ 45C組合鋼圍檁。

1.2 場地水文和地質條件

如圖2所示土層依次為填土類,③-1-1新黃土,③-1-2新黃土,③-2-2層古土壤,④-1-2老黃土,④-4粉質黏土,④-7中砂,④-12沖積黏土。潛水賦存于古土壤、黃土和粉質黏土及其砂夾層中。主要含水層為粉質黏土層中砂夾層,該層透水性好,賦水性強。地下水位埋深約19 m。基坑周邊除距離基坑200 m的f9地裂縫外,無不良地質災害。各層土工參數如表1所示。

表1 巖土參數

2 3D數值仿真

2.1 計算模型

數值模型如圖2所示,本次計算地層尺寸長×寬×高(厚)為317 m×142 m×80 m。基坑圍護結構如圖3所示,計算尺寸為長×寬×高(厚)為197 m×26 m×23 m。數值模型3D單元44 287個,節點43 889個,2D單元4 189個,節點2 781個,1D單元47 349個,計算所有工況費時18 h。基坑圍護采用直徑1 m的鉆孔灌注樁,樁中心距1.4 m。基坑工程中這樣的樁實際上可以簡化成連續的墻,簡化原理如圖4和式(1)所示,計算后墻體厚度約為0.75 m,建立的基坑圍護模型如圖3所示。

(1)

基坑采用三道支撐,第一道支撐為混凝土支撐,路面蓋板下對撐截面1.2 m×1 m(h),上覆400 mm空心混凝土板及150 mm混凝土路面措施。挖土工作面對撐截面1.2 m×0.8 m(h),吊車行走范圍連系梁截面為1.2 m×1 m(h),之外截面為1.2 m×0.8 m(h),壓頂冠梁截面為1.5 m×0.8 m(h),混凝土角撐截面為0.6 m×1.0 m(h)。第二、三道支撐采用φ600鋼支撐,壁厚分別為16 mm和14 mm,腰梁和連系梁均為2×45C工字鋼。立柱采用旋挖樁,直徑1.4 m,中心距6.0 m。計算過程采用彈性力學板殼單元模擬鋪蓋板,梁單元模擬對撐、腰梁、連系梁和立柱,計算空間模型如圖5所示。

2.2 計算參數和工況

基坑圍護構件中立柱深度最大,達到了53 m,持力層基本為粉質黏土,因此計算過程主要考慮6層土體,數值計算時土體為彈塑性材料,服從摩爾庫侖破壞準則,計算參數如表1所示。后村車站基坑施工工序較為復雜有12步之多,3D數值計算工作量非常大。因此,計算過程簡化為主要的5個步驟,如表2所示。

表2 計算工況

3 仿真結果分析

3.1 圍護結構變形分析

圖6和圖7分別是施加工況3—工況6時工況下圍護結構的側向變形曲線。從圖6和圖7中可以看到工況3時(開挖至約2 m)圍護結構的最大側向變形發生在坑底以下約6.5 m的地方。這是由于施加了地面15 kPa超載的緣故,荷載傳遞到較深土體,使得圍護結構最大側向變形發生在坑底以下6.5 m位置。當施加工況4時(開挖至約8.4 m)圍護結構的最大變形位置基本沒有發生改變,但是量值有所增加。這說明超載引起的圍護結構最大側向變形深度基本為坑底下6.5 m左右。進一步可以得到啟示:基坑施工過程盡量不要于側壁周邊堆鋼筋、水泥和磚石等材料,以免引起圍護結構變形過大。隨著施加工況5和工況6(分別開挖至14.7 m和18.5 m)圍護結構變形進一步增大,最大變形位置發生轉變到坑底以上。隨著基坑開挖深度增加,圍護結構最大側向變形位置有所下移,但是始終位于基坑開挖面以上。該現象于一般軟土基坑中,最大圍護結構變形發生于坑底附近,甚至坑底以下的情況不同。這也反映出黃土強度高于軟土的特性。從圖6和圖7中還可以看出,端頭井較標準段圍護結構變形大,該現象并不違背基坑的“空間效應”原理。正是標準段采用了對撐,其剛度強于端頭井的斜撐而引起的。

圖8為開挖至坑底時圍護結構沿著車站橫向的變形云圖。

從圖8中可以看出圍護結構在坑底上方附近變形較大,并且變形呈現三維效應,說明基坑的“空間效應”普遍存在。從該現象可以看出,基坑設計時可以把對撐加強,而邊、角支撐可相對弱些,便于節省材料。

圖9為圍護結構和土體側向變形對比曲線,圖中反映隨著基坑開挖深度增加,圍護結構和土體之間存在變形不一致的現象,即脫空現象。這種現象在連續墻作為圍護結構的基坑工程中有實測資料證實,但是采用圍護樁的基坑中,實測資料中鮮有所聞。本文計算為了簡便根據剛度相等原理,把圍護樁簡化為連續墻才會有此現象。

3.2 地面沉降分析

圖10是地面沉降曲線,從圖中可以看到坑后地面沉降呈拋物線形態。其表達式可以近似用三段直線來表示。

圖10中最大沉降量發生在距離基坑側壁16 m的位置,約為基坑開挖深度的0.86倍,大于軟土地區的0.5倍開挖深度(見圖11)。由于黃土強度普遍高于軟土,該基坑最大沉降量約為1.5 cm(見圖12),因此其影響分區不能像圖11那樣劃分。本文算例中基坑側壁到最大沉降量處水平距離為16 m,小于基坑開挖深度18.5 m,該區域斜率較大,可以定義為主要影響區。而最大沉降量至未變形區域約為24 m,大于基坑開挖深度,那么該區域可以定義為次要影響區域。其余為未影響區域,沉降分區劃分如圖10所示。

3.3 監測資料與數值結果對比分析

圖13為該基坑局部圍護結構測斜管和地面沉降點平面布置圖,其中代表性的監測結果分析繪制于圖7和圖10中。圖7和圖10測斜監測數據較數值計算結果小少許,總體趨勢規律較為相符,反映出數值結果能較好的模擬基坑施工過程力學效應對基坑周邊土體的影響。

4 結論

通過黃土地層蓋挖順作基坑實例的數值分析,分析了黃土基坑坑后的變形特性,得到了如下結論:

1)由于黃土強度普遍高于軟土,導致黃土地區圍護結構最大變形發生于坑底以上。2)黃土地區同樣空間效應明顯,建議可以充分利用,加強對撐設計,邊、角支撐可以適當弱化,以便于節省材料。3)蓋挖順作基坑地面沉降類似于拋物線形,可以分為3個變形區域,其中主要變形區域距離基坑側壁為0.86基坑開挖深度;次要變形區距離基坑側壁1.9基坑開挖深度,完全不同于軟土地區。對于黃土地區地面分區,建議影響分區不要照搬軟土地區經驗,應根據斜率要求具體劃分。