基于有限差分法的基坑围护结构变形分析

陈水梅，兰国冠，刘明松

(龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩 364012)

基于有限差分法的基坑围护结构变形分析

陈水梅，兰国冠，刘明松

(龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩 364012)

针对基坑开挖过程围护结构变形稳定性问题，基于有限差分数值方法，以合肥地铁大东门车站为研究对象，分析了基坑开挖过程中深基坑土体和围护结构的内力及变形情况.研究表明：随着深度的加大，地下连续墙围护结构水平变形不断增大，墙体向基坑内不断发展变形，形态上呈凸肚状；基坑开挖过程中最大主应力和最大主应力差均在围护结构上，最大剪应力和塑性区主要分布在基坑的底部和周边地表；基坑交界处的桩轴力较大，并且轴力变化曲线呈折线形.

地铁车站；深基坑；围护结构；FLAC 3D；地下连续墙

0 引 言

地下空间是城市可持续发展的宝贵资源，对地下空间的开发利用是解决当前城市资源和环境危机的有效措施之一.地铁作为地下空间最常见的地下交通系统的一部分，其车站的基坑围护结构的稳定性研究是城市地下交通系统建设中面临的重要课题之一.目前，深大基坑支护已成为大型地铁车站建造面临的重要问题，只有安全合理的基坑围护结构，地铁车站等大型地下空间开挖施工才具有可行性[1-3].目前，对地铁车站深基坑工程的研究主要集中在3个方面，即，基坑自身稳定性问题、围护结构稳定性问题和土体的变形问题[4-8].此外，还涉及更广的环境和土压力理论等方面问题，而在数值模拟计算中还涉及到开挖应力下的岩土体本构关系问题.对此，本研究运用有限差分原理，对合肥地铁大东门站与新交通大厦深大基坑的开挖与支护过程进行数值模拟，据此分析基坑围护结构变形、基坑开挖土体与围护结构内力变化规律等.

1 工程概况与建模分析

1.1 工程概况及施工方案设计

1.1.1 工程概况.

作为研究对象的地铁车站为合肥地铁1号线与2号线换乘车站，四周现有建筑物林立，建筑物距离车站主体最近处仅为5 m.工程施工过程中，若围护结构产生较大位移或土体坍塌，会对已有建筑的稳定产生不利影响，并且会引起基坑土体变形及地面沉降.此外，周边建筑物对相邻一侧基坑侧壁产生的附加荷载增加了支护结构的受力，不利于支护结构的稳定，并给工程施工带来影响.

1.1.2 工程施工方案设计.

1)工程基坑平面及桩体布置如图1所示.根据工程设计方案，地铁车站主体及部分附属结构拟采用明挖施工，车站结构底板埋深约为32 m，埋置标高约为-16.5 m.远期二号线车站结构底板埋深约为26 m，埋置标高约为-10.5 m.车站主体结构支护采用地下连续墙支护型式，风道与主体连接处采用高压旋喷加固，2号线的圣大国际酒店附近采用旋喷桩加固.车站基坑主体结构采用地下连续墙止水结合坑内降水的方式处理地下水，此方案要求施工前先进行坑内降水，且施工过程中坑内水位保持在车站底板2 m以下.

图1基坑平面及桩体布置图

2)新交通大厦桩位布置如图2所示.根据工程施工方案，基坑采用逆作法施工.在不影响计算精度要求下，本基坑拟分为6步进行模拟开挖，开挖工况及步骤如表1所示.

注：视图中桩径放大2倍

1.2 模型建立

考虑到模型的复杂性与计算结果的精确度，本研究在模型离散过程中采用加密单元方法对楼板、地下连续墙、开挖土体及其周边岩土体进行了单元加密处理，离散后的计算模型如图3所示，其中图3(b)为计算模型过桩1沿1号线主体基坑轴线剖面图.

模型坐标原点取在1号桩中心点，地表z=0，模型X轴方向(垂直1号线主体基坑轴线)为390 m，Y轴方向(平行1号线主体基坑轴线)300 m，Z轴方向(垂直向上)长100 m，即模型尺寸390 m×300 m×100 m.土层、地下连续墙、顶楼板、中间板、底板均采用实体单元，实体单元采用四面体单元，离散后的单元数为297 495个，节点数为51 250个.

图3离散后的计算模型

1.3 初始应力场及边界条件

地下工程开挖引起的土体应力、位移变化是在原来土体初始应力状态下发生的，原始岩体应力直接关系到计算结果的可靠性.假定岩体为均质、连续的各项同性体，模型加载的初始应力场为自重应力场，则应力计算公式为，

σz=γ·H

(1)

(2)

式中，μ为泊松比；H为岩体至地表的距离，m；γ为上覆岩层容重，N/m3；σx、σy、σz分别为X、Y、Z方向的自重应力场，MPa.

此外，基坑开挖过程中，土体还受到周边建筑物的偏压作用，模拟计算过程中建筑偏压均按均布荷载作用到地表相应位置，在充分考虑边界效应的情况下，模型四周及底面的约束设定为滚支承约束.

1.4 计算参数选取

现场勘探发现，基坑范围内主要土层为，粉质黏土填土①层、杂填土①1层、黏土②层、粉质黏土②1层、粉土②2层、粉细砂②3层、淤泥质粉质黏土②4层.工程的支撑体系采用钻孔灌注桩，止水帷幕为高压旋喷桩，另外再设置内支撑结构支护体系.出入口等埋深较浅部位根据具体情况采用相应的边坡支护措施.

根据岩土工程勘察报告，该工程地层综合归并为杂填土、粉质黏土、砂土和风化岩4种.故在计算时，模型采用Mohr-Coulomb本构模型，其基本力学参数如表2所示，其中，土体弹性模量按经验取压缩模量的3倍，泊松比由土体侧压系数反算.地下连续墙、板底板及中间板均采用C30混凝土，各种桩体采用C35混凝土，本构模型均采用线弹性模型.

表2 模型计算基本力学参数

2 计算结果分析

2.1 地连墙围护结构水平变形影响

根据模拟设计方案，本研究对合肥市地铁1号线、2号线交汇车站—大东门地铁站偏压环境下的深大基坑开挖施工过程及开挖引起土体与围护结构变形进行了模拟计算.限于篇幅，本研究重点分析不同工况(见表1)下，新交通大厦地下连续墙围护结构中监控点1和3及结构周边土体施工力学变形行为(见图4).

图4新交通大厦地连墙监测点布置示意图

监控点1、3在各工况下沿墙体埋深的水平位移变化规律曲线如图5所示.

由图5可知，基坑开挖施工对周围建(筑)物产生扰动，使土体、围护结构及基坑桩体等产生附加变形和内力.随着深度的加大，地下连续墙围护结构水平变形不断增大，墙体向基坑内不断发展变形，形态上呈凸肚状.受周边建筑附加偏压环境的影响，凸肚略低于开挖坑底标高，并随开挖深度的加大，凸肚逐渐向下移动.同时，由于监测点1、3紧挨着基坑，相对应的地下连续墙的水平位移凸肚状比另外不挨基坑两侧的更明显.这是因为靠近基坑两排地下连续墙两侧均有基坑开挖，故在两侧有开挖部分因两侧荷载同时卸下而位移不大.围护结构各个埋深的整体位移随开挖的进行不断增大.

图5各工况下交通大厦地下连续墙监测点沿埋深水平位移曲线

表3列出了地下连续墙监控点各工况最大水平位移，图6所示为地下连续墙监控点各工况最大水平位移关系曲线.

表3 地下连续墙监控点各工况下最大水平位移

从图6可知，监控点1处的位移以X轴方向位移为主导，最大合位移与Ux位移表现一致，而监控点3处的位移以Y轴方向为主导，最大合位移与Uy位移表现一致.联系表3可知，监控点最终最大位移分别为：监控点1处为6.393 mm，监控点3处为10.802 mm.

该工程的基坑地表沉降位移等值云图如图7所示.在工况6下，该工程基坑地下连续墙围护结构3D剖面视图的位移等值云图如图8所示.

图6地连墙监控点各工况最大水平位移关系曲线

图7工程地表沉降位移等值云图

由图7可知，地铁车站与新交通大厦基坑开挖时地表的位移表现为基坑底部地表隆起，基坑周围地表产生沉降，远离基坑周围的地表沉降很小，与Peck理论里的地表沉降曲线表现一致.

图8工况6下基坑围护结构位移等值云图

由图8可知，基坑开挖对围护结构的位移会产生影响，其中3个基坑相互影响处的地下连续墙位移最大.

2.2 土体和基坑围护结构受力分析

根据模拟设计方案，本研究对该工程在偏压环境下的基坑开挖施工过程及开挖引起土体与围护结构内力进行了模拟计算.在开挖工况6下，基坑土体和围护结构最大主应力与最大主应力差等值云图如图9、图10所示.

图9最大主应力等值云图

图10最大主应力差等值云图

由图9、图10可知，基坑开挖过程中最大主应力和最大主应力差均在围护结构上，尤其拐角处位置.

基坑在各开挖工况下剖面2的剪应力等值云图如图11所示.

图11各开挖工况下剖面2的剪应力等值云图

由图11可知，基坑开挖过程中剪应力分布广，最大剪应力主要分布在基坑开挖的底部和基坑周边地表.正是因为剪应力的存在，基坑底部土体产生隆起，基坑周围土体产生沉降.此外，地下连续墙沿墙体纵向附近剪应力较大，这是由于地下连续墙深入土体所产生的反作用力所致.

基坑在开挖工况6下塑性区分布图如图12所示.

图12开挖工况6下塑性区分布图

由图12可知，基坑开挖过程中，土体塑性区主要分布在基坑底部、基坑周围地表和围护结构基础底部附近.这就可以很好地解释基坑开挖过程中，土体主要变形呈现出，基底土体隆起、基坑地表土体沉降和桩底拔起等现象.

2.3 开挖过程中桩体轴力分析

本研究共模拟计算了409个桩体在不同工况开挖下的桩体轴力.限于篇幅，在此仅抽取323、319、403、409号4个桩体的桩轴力统计结果(见图13)加以分析.

图13不同开挖工况下桩轴力随埋深分布曲线图

由图13可知，该地铁车站基坑和新交通大厦基坑交界处的桩轴力都比较大，并且轴力变化曲线呈折线形.而在新交通大厦另外两侧的桩基在开挖第一个工况下轴力值较交界处的大，但最终基坑开挖完成后的轴力最大值与轴力交界处相仿，而未与地铁车站基坑相邻的桩轴力变化曲线呈抛物线形.这是因为基坑开挖完成后，上覆土体的移去使得桩周中的土体有效应力减小，桩侧摩阻力减小，导致立柱桩的承载力降低.同时由于回弹的作用，桩周存在侧摩阻力，虽然侧摩阻力的正负和相等，不会影响桩的承载力，但会影响桩周侧摩阻力的发展趋势，从而影响桩的刚度.坑内土体应力释放而回弹带动桩上移，桩身上部承受向上的正摩阻力作用，即上拔荷载，桩被抬升，而桩身下部阻止桩的上移，对桩产生向下的负摩阻力.

3 结 论

本研究对地铁基坑开挖过程对围护结构的变形影响进行深入探讨，分析了基坑开挖过程不同工况下地下连续墙围护结构水平变形，基坑周围土体及围护结构受力变化，地层沉降的变化规律.结果表明：基坑开挖施工对周围建(筑)物产生扰动，使土体、围护结构及基坑桩体等产生附加变形和内力；随着深度的加大，地下连续墙围护结构水平变形不断增大，墙体向基坑内不断发展变形，形态上呈凸肚状.受周边建筑附加偏压环境的影响，凸肚略低于开挖坑底标高，并随开挖深度的加大，凸肚逐渐向下移动；地下连续墙围护结构在远离地铁车站基坑两侧的最终合位移比靠近地铁车站两侧大得多；基坑开挖过程中最大主应力和最大主应力差均在围护结构上，尤其拐角处位置，而最大剪应力和塑性区主要分布在基坑开挖的底部和基坑周边地表，解释了基坑开挖容易出现基底隆起、基坑周围地表沉降及柱底拔起的现象；地铁车站基坑和新交通大厦基坑交界处的桩轴力都比较大，并且轴力变化曲线呈折线形，而未与地铁车站基坑相邻的桩轴力变化曲线呈抛物线形.

[1]张军征.新鑫苑632#基坑开挖支护数值模拟与稳定性分析[D].北京:中国地质大学,2014.

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AnalysisofPitSupportStructureDeformationBasedonFiniteDifferenceMethod

CHENShuimei,LANGuoguan,LIUMingsong

(School of Resource Engineering, Longyan University of Technology, Longyan 364012, China)

Urban subway construction is now pretty popular in our country.The scale of transfer station expands and the depth of the pit increases.Therefore,the analysis of the stability of the pot support structure deformation during the deep excavation engineering is of great significance.Based on the Hefei Metro Dadongmen station,the numerical analysis method based on finite difference method is used to study the deformation characteristics and the internal force variation of surrounding soil and supporting structure.The research shows that with the increase of the depth,the horizontal deformation of diaphragm wall retaining structure increases,the deformation of the wall crossing to the foundation pit develops,and its deformation form shows a convex shape;the maximum principal stress and maximum principal stress difference appear around the retaining structure during excavation,and the shear stress and plastic zone distribute over the bottom and surrounding surface of excavation;the piles’ axial force is greater than that at the junction of two foundation pits,and the variation curves show a broken line form.

subway station;deep excavation;retaining structure;FLAC 3D;diaphragm wall

TU94+2

A

1004-5422(2017)04-0421-06

2017-09-26.

福建省教育厅自然科学基金(JA14305)资助项目.

陈水梅(1989 — )，女，硕士，从事岩土与地下结构工程研究.