地铁基坑工程抗倾覆稳定性研究

赵　帅

(山西经济管理干部学院，山西 太原 030024)



地铁基坑工程抗倾覆稳定性研究

赵帅

(山西经济管理干部学院，山西 太原 030024)

摘要：以地铁基坑工程为例,基于解析土压力模型计算出其抗倾覆稳定性系数,同时使用数值模拟方法得到施工过程中抗倾覆稳定性的变化规律,对两者进行对比分析,得到更实用的解析土压力模型,同时给出施工中保证基坑抗倾覆稳定的措施.

关键词：抗倾覆稳定性;土压力解析解;数值模拟

1工程概况

某地铁车站为标准岛式车站,车站全长为463 m,站台宽度12 m,基坑开挖深度为17.5 m,围护结构为围护桩+钢支撑结构.施工过程分三步开挖,同时架设三道支撑,标高分别为-1.90、-7.80、-13.30 m.

基坑土质情况主要以素填土、粉土、粉质黏土为主,坑底部以下土质分布有细砂及中砂.地下水位深-27.0～-28.9 m.鉴于地下水位埋深稳定,对本站的基坑工程不会造成重要影响.

2抗倾覆稳定性验算基本理论

对基坑进行抗倾覆稳定性验算时,假设桩体是绕桩底转动失去稳定性,其表达式为：

Kq=(FpZp+GkB/2)/FaZa

其中:Fa、Fp分别是主动土压力合力、被动土压力合力；Za、Zp分别是主动土压力合力、被动土压力合力作用点距桩底的距离；Gk是挡土结构自重,B是挡土结构厚度.

为更好地研究不同土压力理论对抗倾覆稳定性的影响,将集中的主、被动土压力分段考虑,得到以下公式：

K=(∑Epihpi+∑Tcjhcj)/∑Eaihai

其中:Eai是第i段土的主动土压力,Epi是第i段土的被动土压力；hai、hpi是其各自对应的合力作用点距桩底的距离.依据工程实测数据发现,若基坑底面下部土体为优质土体,此时主、被动土压力可以采取先求合力再对桩底取距计算抗倾覆稳定性[1].

3采用解析土压力分析基坑抗倾覆稳定性

基坑开挖过程中,土压力的数值大小随着不同阶段开挖而不同.多数解析解中把这种变化的原因与开挖过程中基坑的变形联系起来,故而存在如下几种考虑变形的土压力解析解理论.

表1　解析土压力计算的抗倾覆稳定系数

表2　不同工况下抗倾覆稳定系数

3.1考虑变形的朗肯土压力模型[2-3]

令土体为主动土压力平衡时的水平位移量为sa,土体为被动土压力平衡时的水平位移量为sp,由此得到土压力计算公式为：

p=[K(φ)/(1+e-b(sa,φ))-(K(φ)-4)/2]×p0.

其中：p0为静止土压力的一半,K(φ)为内摩擦角的函数；b(sa,φ)为主动土压力水平变形量和内摩擦角的函数,且有b>0.K、b、p0等可通过原位测试得到三个坐标值(p1,s1)(p2,s2)(p3,s3)进而反算得到.

3.2似正弦函数模型

其中:σa为准主动土压力、σp为准被动土压力、σ0为静止土压力,σacr是主动土压力临界值、σpcr是被动土压力临界值；δ是土体位移；δacr和是主动极限位移、δpcr是被动极限位移.

3.3似指数函数模型[4]

其中:pa是准主动土压力；pp是准被动土压力；p0是静止土压力；ppcr、pacr分别是极限平衡状态下的被动、主动土压力；δ是围护结构水平位移；δpcr是围护结构挤向土体情况下极限平衡的位移；δacr是围护结构离开土体时的极限平衡位移；a和a′均为同土性等有关的参数,取值时,0≤a≤1.0,0≤a′≤ 1.0.

3.4拟合曲线模型[5]

根据主动、被动和静止土压力与位移关系图,采用数值拟合的方法得到其关系式为：

其中:Pa′ 、pp′分别是准主动、准被动土压力；p0是静止土压力；K0为静止侧压力系数；c为填土内粘聚力；sa′为准主动土压力位移量；sa、sp′分别是准被动土压力与主动土压力位移量；A(j),B(j),D(j),E(j)均为填土内摩擦角的函数；其余符号同前.参数A(j),B(j),D(j),E(j)取值与朗肯主动土压力系数ka、被动土压力系数kp和静止土压力k0系数有关.

3.5利用4种解析土压力值计算基坑抗倾覆稳定性

将上述4种土压力解析解带入本文工程案例中,求得其各自的主动土压力与被动土压力值,叠加之后进行基坑抗倾覆稳定性计算,得到表1.

从表1可以看出,与解析土压力计算结果相比,传统的朗肯土压力计算的抗倾覆稳定性过于保守,而这恰恰是最不利的.若发生基坑倾覆事故,很可能以朗肯土压力模型计算依然是偏于安全的,因此基于工程安全考虑,因当使用解析方法综合判断基坑的抗倾覆稳定性.

从计算结果来看,考虑变形的朗肯土压力模型计算出的抗倾覆稳定性数值最小,说明其在分析基坑抗倾覆稳定性是过于激进,很可能导致工程施工中的浪费.而其余三种解析解得到抗倾覆稳定性系数最为接近,可见其基于实际工程得到的理论更具有相似性,所计算的数值更具有代表性.

4采用数值模拟方法分析基坑抗倾覆稳定性

通过使用MIDAS软件对该地铁基坑工程进行工况模拟[6-7],得到数值模拟方法下的土压力所计算的抗倾覆稳定系数如表2.

通过分析表2可以得到：

1)伴随基坑开挖过程,抗倾覆稳定系数逐渐增大.在基坑开挖初始阶段,承担基坑抗倾覆力矩的合力以被动土压力为主,并无钢支撑引入,因此此时的抗倾覆系数较小.随着支撑的架设,抗倾覆力矩由坑底以下的被动土压力与钢支撑压力共同承担,因此抗倾覆稳定系数增大.至最后一步开挖时,第一道支撑的力臂已增大到最大值,此时,三道支撑联合作用,使得抗倾覆系数达到最大值3.15.

2)第二步开挖时,抗倾覆稳定系数减小,为全施工过程的最小值.第二步开挖后,主动土压力所产生的主动力矩也随之增大,而此时坑底以下被动土压力所产生的力矩减小,从而导致抗倾覆稳定性下降.因此,在基坑施工中及时架设支撑是保证基坑抗倾覆稳定性的重要因素.

综上所述,在基坑开挖过程中,由于工况的不同,主、被动土压力分布是动态变化的,抗倾覆稳定系数正显示了这种变化规律：桩后主动土压力逐渐减小,桩前被动土压力逐渐增大,但同时被动土压力对桩底的力臂也在减小,因此最终被动力矩的增大是有限的,此时加入钢支撑,增大了被动力矩,进而导致抗倾覆稳定系数增大.

5两种土压力理论下抗倾覆稳定性对比分析

将解析土压力计算出的抗倾覆系数与数值模拟的计算结果对比,得到：

1)最终基坑抗倾覆稳定系数从数值结果来看,拟指数函数模型、拟正弦函数模型、拟合曲线模型与数值模拟结果最为接近,缘起都能够以实际工程背景出发引入考虑因素,不断地靠近最真实的施工过程.

2)考虑变形的朗肯土压力模型计算的抗倾覆稳定系数与数值模拟中第一步开挖时的最为接近,说明这种解析解更实用于基坑开挖初期的基坑抗倾覆稳定性分析,但伴随着开挖的深入,引入各种外部工程因素后,其偏离逐渐增加.

3)《建筑地基基础设计规范》中规定的基坑抗倾覆安全指标为1.3[8],无论是解析土压力求得的抗倾覆稳定性系数,或是数值模拟求解的该系数,均大于该规范规定的指标,因此在确保土压力更准确的情况下都是符合规范要求的.

6结论

通过以上关于基坑抗倾覆稳定性分析,得到以下结论：

1)进行抗倾覆稳定性验算时,将主、被动土压力分开计算,更清晰的反映了基坑抗倾覆稳定的原理；

2)基于实际工程得到的似正弦函数模型、似指数函模型、拟合曲线模型,同模拟实际工况的数值模拟方法所得到的最终抗倾覆稳定系数更贴近工程实际情形,因此在不具备数值模拟的条件下,通过这三种解析方法能够做出较为准确的抗倾覆稳定性验算；

3)通过数值模拟发现,不同开挖阶段其抗倾覆稳定性系数相差较大.因此,在基坑开挖过程中严格监测,实时反应基坑抗倾覆稳定性状态,保证基坑安全施工；

4)初始开挖阶段的抗倾覆稳定性系数使用解析土压力中的考虑变形的朗肯土压力模型所计算的结果是偏于保守,同时接近该阶段特点的,因此可以采用该模型进行初始阶段的抗倾覆稳定性分析；

5)施工过程中应当及时架设支撑,以确保基坑抗倾覆稳定性系数及时增加,确保工程安全.

参考文献:

[1]肖聪,胡春林,徐娟.桩墙式支护结构抗倾覆稳定性探讨[J].建材世界,2011,32(4),63-66.

[2]梅国雄,宰金珉.考虑位移影响的土压力近似计算方法[J].岩土力学,2001,22(4):83-85.

[3]梅国雄,宰金珉.考虑变形的朗肯土压力模型[J].岩石力学与工程学报,2001,20(6):851-853.

[4]陈页开,徐日庆,杨晓军,等.基坑工程柔性挡墙土压力计算方法[J].工业建筑,2001,31(3):1-4.

[5]卢国胜.考虑位移的土压力计算方法[J].岩土力学,2004,25(4)：586-588.

[6]刘云霞.基坑支护系统的变形机理及施工控制的研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[7]赵帅.基坑围护结构变形对土压力影响的研究[D].北京:北京交通大学,2012.

[8]GB50007-2011.建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011

责任编辑：时凌

Study on the Stability of Overturning Resistance of Subway Foundation Pit Engineering

ZHAO Shuai

(Shanxi Economic Management Cadre Institute,Taiyuan 030024,China)

Abstract：Taking a subway project as an example, calculated the coefficient of overturning stability analysis of earth pressure model based on the change law and overturning resistance stability during construction by numerical simulation method, comparative analysis of the two, get the analytic model of earth pressure is more practical, and gives the construction of overturning resistance measures to ensure the stability of foundation pit.

Key words：overturning stability; analytical solution of earth pressure; numerical modeling

收稿日期：2016-02-28.

作者简介：赵帅(1986- ),男,硕士,主要从事岩土工程的研究.

文章编号：1008-8423(2016)01-0118-03

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.03.029

中图分类号：TU432

文献标志码：A