地连墙插入比对深基坑稳定性影响的数值模拟研究

罗海燕,杨双锁,2,王 磊,徐 婧

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030)



地连墙插入比对深基坑稳定性影响的数值模拟研究

罗海燕1,杨双锁1,2,王 磊1,徐 婧1

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030)

在施工方法和支护参数一定的条件下,只改变地连墙的插入比,运用FLAC3D数值模拟软件,以地表沉降、地连墙水平位移以及坑底隆起为指标,对太原市地铁2号线中心街西站基坑的稳定性进行了分析。结果表明，地连墙插入比的改变对地表沉降、坑底隆起以及地连墙的最大水平位移均有一定的影响；随着插入比的增大,地表沉降值和地连墙水平位移量降低,坑底隆起量增加;当地连墙插入比设置为0.7～0.8时,地表沉降减小显著,坑底隆起改变较小,地连墙的水平位移明显减小,基坑稳定性良好。研究结论可为黏土及粉土地区深基坑工程地连墙插入比提供依据。

地铁车站;深基坑稳定性;数值模拟;地连墙;插入比

基坑工程广泛应用于各种建设工程,例如地铁车站施工、房建、基础建设等方面,基坑施工过程中可供周边建筑物产生变形。因此,在基坑开挖过程中应高度重视其稳定性。

基坑稳定性评价因素主要包括地表沉降、地连墙的水平位移，以及坑底隆起等3个方面。金雪莲、钱秋莹[1-2]等人研究出影响基坑稳定性因素包括：地质与环境条件，如土层物理力学性质、地下水分布等;设计条件，如基坑形状、围护结构等;施工条件，如施工顺序方法、降水等。地连墙对于不同力学特性的土体都具有较好的适应性,作为主体结构又具有较高的稳定性,因此在基坑施工过程中被广泛的引用。

笔者以太原盆地汾河冲积平原区土体为研究背景,在保证其他施工方法和支护参数不变的条件下,只改变地连墙的插入比,以地表沉降、地连墙水平位移以及坑底隆起为指标，对基坑的稳定性进行分析[3]。通过数值模拟，计算出最优的地连墙插入比取值,并将其与太原市地铁2号中心街实际基坑工程中围护结构插入比的常用取值进行对比,从而评价数值模拟结果的准确性,确定黏土及粉土地区的地连墙最优插入比,为后续相似基坑工程施工提供依据。

1 理论分析

基坑工程施工前,采用地连墙支护,墙内外两侧水土压力平衡,地连墙则处于稳定状态。由于基坑开挖的卸荷作用,坑内地层原有应力场遭到破坏,导致应力重新分布,形成新的地应力场,具体表现为基坑底部土体隆起。随着坑内土体开挖,坑底土体回弹,墙内土体原有的致密稳定状态趋于松散,并且强度降低；地连墙两侧形成水土压力差,在墙内土体卸荷和墙外土体的挤压作用下,产生水平变形[4]。同时,地连墙外侧土体的原岩应力遭到破坏,导致墙后土体产生竖向位移即地表沉降。两者变形示意图如图1。

基坑工程中,地连墙的插入比是坑底以下地连墙的插入深度h1与基坑开挖深度h的比值。在基坑开挖深度一定的条件下,插入比的调整即是地连墙入土深度的改变。地连墙的入土深度加深,坑内未开挖土体受到地连墙影响范围扩大,坑底隆起量增大。在增大插入比的过程中,墙体内外两侧地层的水土压力差距缩小,从而地连墙的水平位移及墙外土体竖向变形呈减小的趋势。

图1 地连墙与墙外土体变形示意图Fig.1 Schematic diagram of the earth wall and soil deformation

2 工程背景及计算参数

太原地铁二号线中心街西站作为本次试验主体,车站处于中心西街和长治路的交叉位置,并且沿南北方向布设。车站开挖深度17 m,各土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数表

基坑周围采用800 mm厚地连墙围护结构,并布设三道内支撑,包含斜撑和对撑。第一道内支撑采用800 mm×1 000 mm混凝土支撑,第二、三道支撑采用钢管支撑。各支撑参数见表2所示。

表2 内支撑参数表

文献[5]指出,支护结构的插入比的取值范围通常是0.6～1.2,因此,在其他施工条件和支护参数一定的条件下,笔者重点研究地连墙插入比分别为0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1和1.2条件下的基坑稳定性。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型建立

实体模型和结构单元是模型建立的两部分。其中,实体模型部分包括土体和地下连续墙;结构单元部分包括混凝土支撑和钢管支撑。

依据对称性原理,计划选取1/2的实际工程尺寸进行分析；但考虑基坑实际长度过大,根据以往的经验选取30 m长基坑分析。基坑开挖深度为17 m,宽度是20 m。土体的局部开挖会明显影响到局部的有限范围,影响范围大约是开挖空间跨度的3～5倍。同时,在基坑开挖过程中,对地表沉降的主要影响区域是开挖深度的2倍,而次要影响区是开挖深度的2～4倍[6]。所以本次选取基坑外围60 m土体,建立模型尺寸为140 m×90 m×30 m,总共有40 716个单元,44 550个节点。模型如图2所示。

图2 FLAC3D计算模型Fig.2 FLAC3D model

3.2 数值模拟过程

本次模拟基坑开挖深度17 m,在施工过程中采用边开挖边支护的原则,将开挖施工分为4步。

工况一:开挖1 m,即开挖至16 m处;

工况二:开挖6 m,即开挖至10 m处,浇筑第一道钢筋混凝土支撑;

工况三:开挖6 m,即开挖至4 m处,布设第二道钢管内支撑;

工况四:开挖4 m,即开挖至坑底,布设第三道钢管内支撑。

计算的本构模型选取库伦-摩尔模型[7]。

3.3 数值模拟结果分析

依据安全等级划分,基坑开挖深度17 m,属于一级基坑,规范中对于一级基坑的变形监控值见表3所示。

表3 基坑变形控制值

3.3.1 数值模拟计算结果

在其他施工方法和支护参数不变的条件下,只调整地连墙的插入比,模拟计算结果如表4所示。

表4 数值模拟计算结果

3.3.2 地表沉降特征分析

基坑开挖过程中,随着坑内土体的挖除,地连墙外侧土体的原岩应力遭到破坏,导致地表沉降[8]，如图3所示。图中截取yoz平面,分析右侧地表沉降。

图3 地表沉降等值线图Fig.3 Contour map of the surface subsidence

地连墙外侧地表沉降呈现“U型”曲线,即沉降随着土体到坑壁距离的增大逐渐减小；且不同深度土层的竖向位移不同,呈现逐渐减小的趋势。图中等值线显示，地表最大沉降发生在距坑壁有一定距离的土体处。在其他施工方法和支护参数一定的条件下,只改变地连墙的插入比,地表沉降曲线如图4所示。

图4 地表沉降曲线图Fig.4 Surface subsidence curve

地表沉降规范监控值是30 mm。图4中,当插入比设置成0.4,0.5或0.6时,地表最大沉降超出规范监控值；地连墙插入比是0.7时,刚好达到规范监控值。由图得出,地表沉降曲线呈“U型”,最大沉降出现在距坑壁10～20 m的范围内。基坑开挖对地表影响较大的范围是10～35 m,即0.5h～2h。当到坑壁距离超过40 m(2.5h)之后,地表沉降较小,即地表沉降基本不受基坑开挖的影响。当地连墙的插入比改变的时候,地表最大沉降也随之变化,其变化趋势如图5所示。

图5 地表最大沉降与地连墙插入比关系图Fig.5 Relationship between the maximum surface settlement and insertion ratio

当插入比由0.4增大到1.2的过程中,地连墙外侧土体最大沉降量整体呈现减小的趋势。图5中,当插入比由0.7变为0.8时,曲线的斜率最大,即地表沉降减小最为显著。当插入比增加到0.9以后,地表最大沉降减小并不显著。因此在实际工程施工中，不能一味地通过改变插入比来控制地表沉降,应该避免不必要的资源浪费。

3.3.3 坑底隆起特征分析

坑底隆起是因为基坑开挖卸荷作用,随着开挖深度的增大,坑底回弹越大[9]。以地连墙插入比为0.5分析,完成工况一之后,坑底隆起量为1.52 cm;工况二施工,即开挖6 m,坑底回弹量是13.21 cm;施工工况三,坑底隆起量增大为19.35 cm;最后开挖4 m,施工工况四,即完成基坑开挖,坑底隆起量最大21.32 cm。

图6 坑底隆起等值线图Fig.6 Contour map of heave

基坑开挖完成后,沿yoz平面截取基坑开挖剖面绘制坑底隆起等值线图如图6所示。图中坑底隆起曲线呈现“U型”,隆起过程属于塑性隆起[10]。并且回弹量随着土层深度的增大而减小,即坑底表面的隆起最大。

计算过程中,插入比设计成0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1和1.2。坑底最大隆起量随插入比变化的曲线如图7所示。图中,坑底隆起变化较不显著,波动幅度较小。随着地连墙插入比的变大,坑底隆起量最小是17.48 cm,最大26.98 cm。尽管坑底隆起改变较小,但依然呈现增大的趋势。地连墙插入比由0.4增大至0.6时,坑底隆起改变最显著,从17.48 cm增大到24.24 cm。

图7 坑底最大隆起与地连墙插入比的关系图Fig.7 Relationship between the maximum bottom heave and insertion ratio

3.3.4 地连墙水平位移特征分析

基坑工程施工前,采用800 mm厚的地连墙支护,地连墙处于稳定状态。随着坑内土体开挖,地连墙在墙内土体卸荷，在墙外土体的挤压作用下向内凹陷。其变形形态图如图8所示。

图8 地连墙水平变形形态图Fig.8 Level deformation of the earth wall

本次模拟基坑开挖深度17 m,按照安全等级划分属于一级基坑。根据规范，一级基坑的地连墙墙体最大水平位移检控值是5 cm。模拟结果中,当地连墙插入比分别是0.4,0.5,0.6和0.7时,地连墙的最大水平位移均超出了规范监控值。而后地连墙水平位随着插入比的增大逐渐减小,两者间的关系曲线如图9所示,并且计算结果均控制在了规范值内。

图9 地连墙最大水平位移与插入比的关系图Fig.9 Relationship between the maximum horizontal displacement and insertion ratio

图9中,当插入比从0.4调整到0.6时,地连墙的最大水平位移改变不大,从65.06 mm减小到63.12 mm。插入比由0.6增大到1.0的过程,直线的斜率基本不变,并且在整个调整过程中斜率最大,即地连墙最大水平位移减小较明显。当插入比增大到1.0以后,地连墙的水平位移改变不大。模拟结论与现有基坑工程维护结构插入比集中在0.7～0.9的工程实际基本一致。

4 结论

在深基坑的施工过程中,当基坑变形超出监控变形值时,不仅影响邻近地下管线的稳态,更可能引起邻近建筑物的倾斜或者开裂。为了维持基坑的稳定,控制基坑的变形,在其他施工方法和支护参数不变,只改变地连墙插入比的条件下,笔者以地表沉降量、坑底隆起以及地连墙水平位移为指标，对太原市地铁2号线中心街西站基坑的稳定性进行了分析。研究结果如下。

1) 墙外土体地表沉降随着地连墙插入比的变大逐渐减小,但也有一定的极限。当插入比增大到0.9以后,地表沉降较不显著；当插入比从0.7增大到0.8时,地表沉降最多。因此,在深基坑施工设计中,也不能一味地通过增大地连墙的插入比来控制地表沉降。

2) 随着地连墙插入比的增大,基坑内土体隆起也变大,但是改变幅度较小。当插入比由0.4增加到0.6时,坑内土体隆起量改变最多。

3) 地连墙墙体的最大水平位移随着插入比的增大呈现减小的趋势。当插入比增大到1.0以后,地连墙水平位移减小缓慢；插入比从0.6增大到0.7时,地连墙的水平位移减小最为明显。

地连墙插入比的改变对地表沉降、坑底隆起以及地连墙的最大水平位移均有一定的影响。随着插入比的增大,地表最大沉降减小;坑底最大隆起增大;地连墙最大水平位移减小。综合考虑,当地连墙插入比设置为0.7～0.8的时候,地表沉降减小显著;坑底隆起改变较小;地连墙的水平位移明显减小,并且三者均在规范所允许的范围之内。因此,在黏土和粉土地区深基坑施工设计时,建议地连墙的插入比设置在0.7～0.8的范围内,这样既能保证较好的支护效果,控制基坑变形,又能节约资源,避免不必要的人力和物力的浪费。

[1] 金雪莲,樊有维,李春忠,等.带撑式基坑支护结构变形影响因素分析[J].岩石力学与工程学报,2007，26(S1):3242-3249.

[2] 钱秋莹,张柱,熊中华.深基坑变形影响因素的正交分析[J].河北工程大学学报(自然科学版),2014,31(1):20-24.

[3] 李琳,杨敏,熊巨华.软土地区深基坑变形特性分析[J].土木工程学报,2007,40(4):66-72.

[4] 杨骏,李夫杰,杨育僧.软土地区地铁车站深基坑施工坑外土体位移规律研究[J].太原理工大学学报,2015,46(5):542-547.

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[6] 胡意,吴大志.基坑开挖引起的地表沉降分析[J].施工技术,2012,41(S1):39-41.

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(编辑：庞富祥)

Numerical Simulation Study on the Influence of the Earth Wall Insertion Ratio on the Stability of Deep Foundation Pit

LUO Haiyan1,YANG Shuangsuo1,2,WANG Lei1,XU Jing1

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

In the condition of construction method and support parameters remaining consistent, the insertion ratio of the wall was changed only.The numerical simulation software, FLAC3D,was used to analyze the stability of the foundation pit of Taiyuan City Subway Line No. 2 Center Street West station.The land subsidence, even the horizontal displacement of the wall and bottom heave were considered as indexes.The results show that: The wall insertion ratio has a certain effect on the surface subsidence, uplift and even the wall of the maximum horizontal displacement.With increasing insertion ratio, the maximum surface settlement and the maximum horizontal displacement decrease;the bottom uplift increases.When wall insertion is 0.7～0.8, ground surface settlement decreases significantly,heave almost keeps unchangee,and the horizontal displacement of the wall is significantly reduced,which play a significant roll in maintaining the stability of the foundation pit.Therefore,this research it can provide evidence of insertion ratio for deep foundation pit engineering in clay and silt soil areas.

subway station;deep foundation pit;stability analysis numerical simulation;earch wall ;insertion ratio

1007-9432(2016)04-0455-05

2015-11-16

国家自然科学基金资助项目：涵盖峰后大变形过程的巷道围岩与支护平衡规律及控制机理研究(51274145); 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室访问学者基金资助项目

罗海燕(1992-)，女，湖北荆州人，硕士生，主要从事地下工程与岩土力学方面的研究,(E-mail)1274451387@qq.com

杨双锁，博士，教授,主要从事采矿工程以及岩土工程方面的研究，(E-mail)shuangsuoyang@163.com

TU455

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.04.005