软土性质对基坑围护结构稳定性的影响

原文奎 党海军 郭庆昊 王体广

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,102600,北京∥第一作者,高级工程师)

软土性质对基坑围护结构稳定性的影响

原文奎 党海军 郭庆昊 王体广

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,102600,北京∥第一作者,高级工程师)

结合某地铁车站基坑工程,对软土地区基坑围护结构稳定性进行了三维有限元分析计算,并就软土性质对基坑变形和围护结构稳定性的影响进行了灵敏程度分析和讨论。土体的塑性应变基本上集中在基坑底部开挖面附近;土的内摩擦角的增加或减小对基坑的最大变形影响很大。

软土地基;基坑围护结构;三维有限元分析

First-author's addressChina Railway Fifth Survey and Design Institute Ltd.,102600,Beijing,China

软土深基坑围护结构变形的分析和计算是基坑研究的重要方面,不但可用来指导基坑的设计和开挖,而且由于围护结构的变形与坑周土体的变形密切相关,还可用来指导基坑周边环境的维护。

在传统的基坑工程中,对于基坑受力变形的计算,多采用等代梁法、m法等近似方法。近年来,考虑围护结构和土体共同作用的二维平面应变有限元法被广泛采用。但是对于大型结构,由于其所在场地和结构本身的空间作用显著,同时由于基坑的开挖和围护结构的施工都是逐步进行的,故基坑和围护结构是一个随时间而不断变化的时变系统。本文结合某地铁车站软土深基坑工程实例,进行了三维数值模拟。

1 工程简介

某地铁车站位于浙江省钱塘江西岸的冲海积平原,顶板覆土厚度为3 m。车站基坑长453 m。该车站标准段的基坑开挖宽度为 19.5 m、深度为16.09 m;车站端部考虑盾构工作需要,进行了加宽、加深,端头井段基坑开挖宽度为23.7 m,深度为19.5 m。车站采用坑内降水、明挖顺作法施工。

工程场地属于典型的软弱土层地区,工程条件差,车站北侧为2号渠,南侧靠近住宅小区。基坑周边管线众多,场地环境相对复杂,对基坑结构安全度及基坑变形控制的要求严格。根据基坑开挖深度及破坏后果的严重性,依据DB33/T 1001—2003《浙江省建筑地基基础设计规范》,基坑安全等级为一级。为保证工程本身安全及控制地表沉降,围护结构采用钢筋混凝土地下连续墙加内支撑的基坑支护体系(见图1、图2)。其标准段围护结构采用600 mm厚地下连续墙,端头井段围护结构采用800 mm厚地下连续墙;支撑采用φ609 mm钢管内支撑方案,标准段设置4道水平支撑加一道换撑,端头井段设置5道水平支撑加一道换撑,各道支撑的水平间距一般为3 m。由于该基坑工程尺寸大、支护结构空间作用明显、施工周期长、环境较复杂,为确保工程安全,对该基坑进行了围护结构与土体共同作用的施工全过程的三维弹塑性有限元分析。

车站底部位于粉砂夹砂质粉土层、砂质粉土层。各层土体分布及土体力学参数见表1。地下水主要有浅层粉(砂)性土层中的潜水和局部的砂土层中的弱承压水。潜水位埋深一般在1.2～4.0 m之间;深部承压水位于场地内局部分布的中砂层中,分布深度为40 m以下,为弱承压水。潜水位和承压水位随季节、气候等原因而有所变化,变化幅度在1.0 m左右。

图1 围护结构平面布置图

图2 围护结构平面布置局部放大图

表1 车站土层分布及土的力学参数

2 计算模型及具体实施步骤

计算软件采用岩土专用有限元计算分析软件Midas/gts。土体采用3D实体单元,本构模型选用摩尔-库仑理想弹塑性模型;钢筋混凝土地下连续墙采用板单元;钢管内支撑采用梁单元,假设为线弹性材料。基坑开挖后的三维模型见图3、图4。为真实模拟围护结构和土体之间的共同作用及施工对支护结构的影响,使用了Midas/gts软件的施工阶段分析功能。定义施工阶段过程中可以通过激活与钝化单元、边界、荷载等方式来模拟土体开挖和支护施工。所谓钝化单元就是将该单元的刚度和质量变为0,相当于该单元不再发挥作用;而激活单元就是使刚度和质量为0的单元恢复到设定的刚度和质量。考虑场地地下水在雨季或其他不利因素的影响,坑外计算水位取地面以下1.5 m。

具体实施步骤为:①建立整个场地的模型;②施加重力荷载;③钝化连续墙处所在土体单元,激活连续墙单元,并在连续墙两侧施加水压力,模拟连续墙施工完成后情况;④逐层钝化各层土体单元并激活相应的内支撑单元,模拟开挖和支撑施工;⑤重复步骤4直至开挖到坑底。

图3 单元网格及支撑

图4 围护结构及内支撑

3 计算结果

计算得到土体在开挖过程中的塑性应变分布如图5所示。土体的塑性应变基本都集中在基坑底部开挖面附近,主要是因为土体开挖卸载以及地下连续墙侧向变形后土体回弹及隆起而造成的;土体的塑性参数对基坑的变形影响也主要集中在开挖底面附近。

图5 土体塑性区分布图

计算结果表明,每层土体开挖结束后地下连续墙体水平位移最大值出现在基坑开挖底面附近。越靠近基坑四角,水平位移等值线越密集,梯度越大,空间作用越明显;越远离基坑四角,空间作用越弱。

计算模拟边挖边撑的实际工况,得到普通段和盾构井段地下连续墙变形随开挖过程的发展曲线如图6、图7所示。地下连续墙的最大水平位移为14 mm。一般来说,对有地下水的软弱场地,由于土体的蠕变和流变特征,应尽量加快内支撑结构的施工速度,提高内支撑结构在整个侧压力作用下所分担的比重,进而减轻地下连续墙的变形和内力,增强基坑的稳定性。

图6 标准段基坑开挖中地下连续墙的水平变形

图7 盾构段基坑开挖过程中地下连续墙的水平变形

4 土体参数对基坑变形灵敏程度的探讨

考虑到基坑结构复杂,施工周期长,部分软土的力学参数可能测量不够准确,或在施工过程中土体参数发生了变化,因此对土体关键力学参数进行灵敏程度分析是非常必要的。

在基坑围护结构变形的计算中,对围护结构内力及变形影响最大的是土体参数。基坑最大变形受土体压缩模量E、黏聚力c、内摩擦角φ以及侧压力系数等参数的影响十分显著。本次研究假设地下水位不变,仅对其中的c、φ值加以讨论研究。通过对c、φ值增减 10%、20%、30%、40%、50%的计算分析,可以得出参数变化与基坑变形量的关系图(见图8)。

图8 软土的力学参数 c、φ的变化与基坑变形量关系图

当将原参数c值增大50%,基坑的最大变形增加了5%左右;当将原参数c值减小50%,基坑的最大变形也减少了5%左右。当将原参数 φ值增大50%,基坑的最大变形增加了140%左右;当将原参数φ值减小50%,基坑的最大变形减少了30%左右。因此,在基坑变形的计算中,就c、φ值变化对基坑最大变形的影响而言,c值的影响比φ值的影响小。由此可以看出,φ值的增加和减小对基坑的最大变形影响很大。因此,在勘探、设计、施工过程中,对土层的情况,尤其是对土的力学参数的确定应给予密切关注,使其尽量符合实际情况,特别是土层的φ值尤为关键。

当将原参数c、φ值同时增大50%,基坑的最大变形增加了160%左右;当将原参数c、φ值同时减小50%,基坑的最大变形减少了30%左右。

另外还需注意,如果减少侧压力系数,降低了土体侧压力,则最大变形减少的幅度比侧压力降低的幅度还要大;反之亦然。

5 结语

从本文的计算分析结果可以看出,对于软土地区复杂的基坑工程,土体的塑性应变基本都集中在基坑底部开挖面附近,土体的塑性参数对基坑的变形影响也主要集中在底部开挖面附近。因此,在基坑土方开挖前,提前一定的时间对基坑土方开挖面及以下一定范围内采取降水措施将有利于土体的固结并改良土体参数,可减少基坑土体开挖卸载以及地下连续墙侧向变形后土体回弹及隆起而造成的变形。

通过计算分析还表明,每层土体开挖结束后地下连续墙墙体水平位移最大值出现在基坑底部开挖面附近。一般来说,对于有地下水的软弱场地,由于土体的蠕变和流变特征,应尽快施作内支撑结构体系,提高内支撑结构在整个侧压力作用下所分担的比重,进而减轻地下连续墙的变形和内力,以增强基坑的稳定性;可对基坑底部土体进行加固或采用降水措施以提高基坑内侧的被动土压力。

从土体参数c、φ值的变化对基坑变形灵敏程度的分析可以看出,φ值的增加和减小对基坑的最大变形影响很大。也就是说,就土体参数c、φ值而言,φ值对基坑变形的灵敏程度更高。因此,在勘探、设计、施工过程中,土层参数要以原位试验为基础,并结合试验情况、地方经验以及不同部位的实际情况来确定,特别是对土层 φ值的准确确定尤为关键。施工过程中,施工单位应密切和勘察设计单位沟通,及时反馈施工中的监测数据,实现动态设计施工。

[1]高文华,杨林德.软土深基坑围护结构变形的三维有限元分析[J].工程力学,2000,17(2):134.

[2]宋立峰.软土深基坑有支撑暴露变形研究[J].城市轨道交通研究,2008(7):31.

[3]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[4]孙钧.地下工程设计理论与实际[M].上海:上海科学技术出版社,1996.

Influence of Soft Soil on the Stability of Pit Enclosure Structure

Yuan Wenkui,Dang Haijun,Guo Qinghao,Wang Tiguang

Deformation of station pit foundation engineering and the stability of pit enclosure structure in soft soil are analyzed bases on one station's foundation engineering of an urban traffic project.A three-dimensional finite element analysis has been accomplished;meanwhile,the sensitivity analysis has been carried out on the effect of soft soil property on pit foundation's deformation and stability of enclosure structure.

soft ground;pit enclosure structure;three-dimensional finite element analysis

TU 437+.6

2009-03-04)