某地铁站基坑开挖支护桩水平位移分析

席培胜，钱　坤，林　键，王　兴

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)



某地铁站基坑开挖支护桩水平位移分析

席培胜，钱坤，林键，王兴

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

摘要：本文以合肥地铁一号线青阳路站基坑工程为背景，利用MIDAS GTS NX有限元软件选取基坑典型控制截面进行二维建模，分析了对称与非对称两种堆载下支护桩水平位移随开挖深度的变化规律，对比了不同挖深下两种荷载情况围护桩最大水平位移值及其发生位置。结果表明，基坑两侧堆载的形式对支护桩的水平位移有明显影响；非对称堆载作用下支护桩水平位移呈明显不对称性，堆载大的一侧水平位移值较大且发生位置较浅。本文可为相关基坑工程的设计开挖提供参考借鉴。具有一定的科技应用价值。

关键词：有限元;围护桩;MIDAS;水平位移

0引言

随着我国地铁建设的快速发展,地铁车站深基坑开挖的安全及其对周边环境的影响问题越来越引起人们的重视。在复杂条件下进行深基坑开挖和地下结构的施工难度更大，基坑开挖卸载会导致围护结构产生水平变形,较大的水平变形会影响结构和环境安全，必须得到有效控制。

围护结构的水平位移是判别基坑安全的重要指标,地质条件、开挖深度、围护结构型式是影响围护结构水平位移的三个重要因素。因此在确定支护方案时需根据控制标准对基坑支护结构进行模拟分析，以确定方案的合理性和安全性。芦森[1]以弹性地基梁法研究了分层开挖和逐级加撑对地铁深基坑的变形影响；Whittle(1993)等[2-6]学者采用不同的单元划分、土的本构模型以及边界条件等对深基坑的应力场、位移场、渗流场进行模拟分析,得到了不同的本构模型、边界条件以及工况模拟对计算结果的影响；张书玉[7]以某紧邻高速公路偏压基坑为例研究了动荷载作用下基坑围护结构的动力响应；石钰峰[8]等人以紧邻偏压基坑围护结构变形与内力测试分析了列车动载作用下围护结构的内力分布。

本文对偏压荷载下基坑的开挖进行模拟，分析偏压荷载下基坑围护桩水平位移的变化规律。

1工程概况

合肥青阳路站基坑形状近似为矩形，取地铁基坑标准段南北剖面作为研究对象，在基坑南侧有一小区建筑对基坑形成偏载。基坑纵向全长为167.8m，标准段宽度为18.3m，基坑开挖深度为19.38m,基坑支护结构均采用直径为0.8m的钻孔灌注桩，贯入深度为24.8m。基坑采用四道支撑，第一道为C35混凝土支撑，截面尺寸为，余下三道均采Φ609钢管支撑，外径为609mm。支撑轴线标高分别是-1.040m、-5.434m、-8.538m、-13.038m(见图1)。车站采用明挖顺筑方法施工。

图1标准段基坑剖面图

工程地质条件：

车站开挖影响范围内地基土为第四纪松散沉积物，属第四系滨海平原地基土沉积层。地质情况自上而下表述如下：

(1)人工填筑土：灰黄色、褐黄色，主要为素填粘性土，可塑～硬塑状，稍经压实。局部见砂及碎石块，厚度为2.4m。

(2)可塑状黏土：灰黄色，黄褐色，可塑状，土质较纯，韧性中等，干强度高，分布于人工填筑土层之下，厚度为4.1m

(3)硬塑状黏土：褐灰、褐黄色，硬塑状，含氧化铁锰质斑点，局部含高岭土，韧性中等，干强度高，切面光滑，具弱至中等膨胀性，厚度为5.0m。

(4)全风化泥质砂岩：砖红色，全风化，原岩结构基本破坏，但尚可辨认，胶结程度差，局部可见钙质胶结，岩体风化严重，岩芯多呈土柱状，易钻进，遇水易软化，厚度为2.7m。

(5)强风化泥质砂岩：砖红色，强风化，原岩结构大部分已破坏，泥质胶结，局部含钙质，岩体多风化明显，风化裂隙发育，岩质较软，遇水易软化，岩芯呈半岩半土状，厚度为4.0m。

(6)中等风化泥质砂岩：砖红色，中等风化，砂质结构，泥质胶结，局部含钙质，中厚层状，风化节理裂隙发育，节理面平缓，岩质较软，锤击声哑，敲击易碎，各土层的计算参数如表1。

表1　土层计算参数

2有限元模型的建立

MIDAS GTX NX是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基等各种实际工程的准确建模与分析。基坑开挖过程的模拟利用有限元软件的激活钝化单元模拟，通过分步激活荷载和支撑以及钝化基坑土体单元，模拟各道支撑和土体开挖的全过程，根据不同的施工阶段定义来模拟基坑开挖的“顺作法”、“逆作法”等开挖方式。

2.1模型尺寸

假定基坑开挖分析为二维平面应变问题，有限元模型尺寸根据基坑和邻近建筑物的实际情况共同建模。一般模型尺寸在水平方向取大于3倍的基坑开挖深度，竖直边界尺寸取50m。

2.2材料定义

根据勘察报告数据分别定义每层土体，土体的本构模型采用摩尔库伦模型。用梁单元模拟围护桩，用桁架模拟四道支撑，第一道支撑属性定义为C35混凝土，后三道支撑属性定义为 Φ609钢管支撑。南北侧两根围护桩属性定义为C35混凝土桩。

2.3荷载定义

边界条件：表面边界取自由边界，两侧边界约束水平位移，底部边界约束竖向位移。

静力荷载：除了设置自重外，施加两种周边荷载分别计算，一种采用两边对称 20m的均布荷载20Kpa；另一种采用不均衡荷载，北侧为20kPa南侧6m范围内为20kPa，6m到26m设置60kPa。

2.4网格划分

网格划分根据土层厚度尺寸划分，采用矩形网格，网格尺寸控制在1m,根据土层来划分开挖面,两种荷载分步如图2。

图2有限元计算模型

2.5具体计算工况

初始应力场：激活所有土体以及各种约束和土体自重。

工况1：激活所有土体和周边超载，以及各种约束和土体自重，并激活2根基坑围护桩。并位移清零。

工况2：基坑内开挖第一层土以及第一道混凝土支撑，开挖深度至-2.4m。

工况3：基坑内开挖第二层土以及第二道钢支撑，开挖深度至-6.5m。

工况4：基坑内开挖第三层土以及第三道钢支撑，开挖深度至-11.5m。

工况5：基坑内开挖第四层土以及第四道钢支撑，内坑开挖深度至-14.2m。

工况6：基坑内开挖至基底，开挖深度-19.38m。

3数值模拟结果与分析

3.1对称荷载下桩体水平位移

由于荷载对称，经过数值模拟计算出的两侧围护桩水平位移是对称的,如图3所示。

图3对称荷载桩体水平位移

(1)在工况1下，由于在此工况中打入2根围护桩，因土体并未开挖所以两根桩水平位移均接近为0。

(2)从工况1至工况6下可以看出，在基坑开挖初期未设置支撑情况下，基坑最大位移发生在基坑顶部，随着开挖深度加大和支撑设立，最大位移发生位置点逐渐下移。

(3)在工况2下，由于开挖深度较浅，又有混凝土支撑的作用，最大水平位移发生在H=-7.52m处，为-4.82mm。

(4)在工况3到工况6个工况下，整体水平位移往基坑内偏移，桩顶水平位移均为-1mm左右，最大位移均发生H=-8.5m处，水平变形最大为工况6的-5.92mm。在开挖深度大于-8.5时，水平位移随着开挖深度的增长而减小，在H=-18m处，由于基坑开挖到坑底，所以所有曲线均在0点左右。

(5)在工况3至工况6下，随着开挖深度逐渐增大，最大位移均发生在H=-8.5m处，虽逐渐增大，但并不明显，增长率仅为5%。

3.2偏载下桩体水平位移

偏压荷载下经过数值模拟计算得到北侧支护桩、南侧支护桩的水平位移大小及变化曲线如图4所示。

图4偏压荷载桩体水平位移

由图4(a)可见：

(1)在工况1到工况6下，北侧围护桩最大水平位移发生在桩顶处为-8.94mm，由于支撑的作用，桩顶位移随着开挖深度的增大反而向坑外发展。

(2)在工况2到工况6下，基坑内最大水平位移在H=9.5m处，为工况3的5.2mm。

由图4(b)可见：

(1)在工况1到工况6下，南侧围护桩顶水平位移随着开挖深度增大而增大，由0增加到-6.52mm。最大位移发生在H=-7.5m处，最大值为工况6的-9.62mm，当开挖深度大于-7.52m时，水平变形随着开挖深度增加而减小并在19m处为0。

(2)在工况2到工况6下，南侧支护桩最大水平位移由工况2的-4.72mm增加到工况6的-9.61mm，由于南侧有偏压荷载，基坑整体向基坑内偏移。

由图4可见：

(1)由于基坑南侧荷载偏大，南侧围护桩位移往基坑内偏移，而北侧围护桩位移由于支撑的原因往基坑外偏移，基坑整体往北侧偏移。

(2)在工况2到工况6下，南侧水平位移随着开挖深度增加而增大，最大位移达到工况6(H=-7.5m)-9.62mm；而北侧围护桩由于内支撑和南侧水平位移的影响，基坑内水平位移随着开挖深度增大而减。

(3)由表2可知，桩顶水平位移随着基坑开挖深度增大而增大，北侧最大水平位移达到了-8.94mm，南侧也达到了-8.78mm。可以看出，由于支撑的作用，两侧桩位移偏移方向是一致的，均向北偏移，最终偏移量大致相同，但北侧围护桩位移变化率较大，工况1至工况6最大位移变化率达到了552%。

表2　桩顶水平位移一览表(mm)

3.3对称荷载和偏压荷载桩体水平位移对比分析

(1)在工况2到工况6情况下，在快开挖到坑底(H=19m)时候，无论是对称荷载还是偏压荷载都至0点附近。

(2)在工况3到工况6下，偏压荷载下的南侧围护桩位移曲线和对称荷载下南侧围护桩水平位移曲线变化趋势大致一致，但是偏压荷载下，水平位移变化较对称荷载更大且明显如表3，对称荷载下最大水平位移处变化率仅有5.2%，而偏压荷载最大水平位移处变化率达到了48%。

表3　两种荷载下右侧围护桩最大水平位移处位移变化表(mm)

(3)由图3(a)和图4(a)相比较下，对称荷载作用下，北侧围护桩水平位移偏移趋势是向基坑内偏移；而偏压荷载下，由于支撑的作用，随着开挖深度增加，北侧水平位移是向基坑外偏移。导致桩顶位移不断向坑外增加，而坑内最大水平位移不断的减小的趋势。

4结论与建议

本文主要对合肥青阳路站基坑工程进行了数值模拟分析，通过改变基坑两侧堆载形式分析了不同挖深下支护桩的水平位移变化规律，得出以下结论：

(1)对称荷载下两侧围护桩桩体水平位移曲线呈对称趋势，最大位移发生位置和最大位移值均一致，并在同一位置(H=-19m)时水平位移减小为0。

(2)当开挖较浅时, 偏压荷载下左侧围护桩最大水平位移发生在开挖面以下;当开挖深度较深时,由于南侧偏载的影响,桩顶最大水平位置越来越大，使得北侧围护桩向基坑外偏移。

(3)偏压荷载下南侧围护桩水平位移随着开挖深度增加而增大，位移变化趋势基本一致，桩顶位移不断增加，最大位移均发生在H=-7.5m处，整体向基坑内偏移，而使内支撑受较大轴压力，导致北侧围护桩顶处向基坑外偏移。

(4)偏压作用下,基坑围护桩变形异于对称荷载条件下的变形，有建筑物一侧基坑围护结构变形大于没有建筑物一侧，围护结构出现了向低荷载一侧的整体偏移。

参考文献

1芦森.分步开挖和逐级加撑的地铁车站深基坑围护结构性状研究[D].杭州：浙江大学, 2005.

2Andrew J.Whittle,Youssef M.A.Hashash.Analysis of Deep Excavation in Boston[J].Journal of Geotechnical Engineering.1993,119(11):69-90.

3Zhang-YuOu,Dar-Chnag Chiou.,etal.Three-Dimensional Finite Element Analysis of Deep Excavations[J]. Joumal of Geotechnical Engineering.1996,vol.122.No.5.

4Chnag-YuOu.,eatl.Analysis of Deep Excavation with Column Type of Ground Improvement in Soft Clay[J]. Journal of Geotechnical Engineering.1996,vol.122.No.9.

5Finno,R.J.,Atmatzidis,D.K.,etal.Obsevred Performance of Deep Excavation in Clay[J]. Journal of Geotechnical Engineering.1985,vol.115.No.8.

6Micheal Long.A Case History of A Deep Basement In London Clay[J].Computer and Geotechnics. 2001,No.21.

7张书玉，刘波，席培胜.某紧邻高速公路偏压深基坑施工方案设计与监测分析[J].安徽建筑大学学报，2014，22(4) 54-58.

8石钰峰，阳军生，白伟，等.紧邻铁路偏压基坑围护结构变形与内力测试分析[J].岩石力学与工程学报，2011,30(4) 826-833.

Analysis of Foundation Pit Retaining Pile Horizontal
Displacement of Subway Station

XI Peisheng, QIAN Kun, LIN Jian, Wang Xing

(School of Civil Eegineering,Anhui Jianzhu University Hefei 230601)

Abstract:In this paper, based on the foundation pit engineering of Qingyang Road Station of Hefei Metro Line 1, using MIDAS GTS NX modeling two-dimensional, and analyzed the retaining piles under sym-metric and asymmetric horizontal displacement along with the change of the excavation depth, compared to two kinds of load maximum horizontal displacement of supporting pile and its position. The result show that on each side of the pit heap load forms have obvious influence on the horizontal displacement of retaining pile; asymmetric pile retaining piles under the action of horizontal displacement is obvious asymmetry, the displacement of pile side horizontal load value is large and shallow. It can provide a reference for the design of foundation pit engineering excavation. The result has a certain value of application of engineering and technology.

Key words:Finite element; retaining pile; MIDAS; the horizontal displacement

收稿日期：2015-06-08 2015-05-04

作者简介：席培胜(1969-)，男，博士，教授，主要研究方向为地下结构工程，地基处理及环境岩土工程。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150601

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-001-05

基金项目：江苏省自然科学基金(BK20151092)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX13_102)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(3205004907)