黄土地区地铁车站基坑变形数值分析★

杨海峰，牛锦涛，商宁坤，吴 明

(1.信息产业部电子综合勘察研究院,陕西 西安 710054; 2.长安大学地质工程系,陕西 西安 710054)

0 引言

目前全国各大城市地铁建设紧锣密鼓,地铁建设中车站基坑往往比较深,而且基坑开挖多处于城市繁华中心。那么对于深基坑开挖所引起的围护结构和地面变形研究非常重要,其对于基坑安全施工,节约工程造价有着指导意义。以文献[1-2]为代表的大量研究主要是软土地区的基坑成果,不完全适用于黄土地区。为此,许多研究者[3-7]对黄土地区的基坑进行监测资料规律性总结和施工过程数值分析。尽管如此,黄土地区的研究成果相对于软土地区少之又少。近年来随着计算机技术发展,数值方法研究日新月异,研究人员和工程师[8-11]利用数值手段研究基坑开挖过程力学行为和变形规律,对于基坑研究非常有帮助。因此,本文拟从数值计算角度研究黄土地区某基坑施工引起的围护结构和地面变形,以期对于黄土地区基坑研究提供一定借鉴。

1 工程概况和场地地质条件

1.1 工程概况

西安地铁某地铁车站主体基坑平面尺寸146.84 m×26.96 m,基坑深度约17.84 m,局部深度18.91 m。如图1所示,基坑围护采用φ1 000@1 400 mm旋挖桩,设三道内支撑。桩间采用挂钢筋网喷射混凝土挡土,支护桩嵌固深度为5 m,6 m和7 m。第一道支撑为宽1 200 mm×高1 400 mm(路面铺盖下)和宽1 200 mm×高800 mm钢筋混凝土撑,水平间距约6 m;第二、三道支撑为φ600×14 mm钢支撑,预加轴力600 kN和500 kN,水平间距约3 m,支撑轴力约1 944 kN;腰梁采用2 Ⅰ 45C组合钢围檩。

1.2 场地水文和地质条件

如图2所示土层依次为填土类,③-1-1新黄土,③-1-2新黄土,③-2-2层古土壤,④-1-2老黄土,④-4粉质黏土,④-7中砂,④-12冲积黏土。潜水赋存于古土壤、黄土和粉质黏土及其砂夹层中。主要含水层为粉质黏土层中砂夹层,该层透水性好,赋水性强。地下水位埋深约19 m。基坑周边除距离基坑200 m的f9地裂缝外,无不良地质灾害。各层土工参数如表1所示。

表1 岩土参数

2 3D数值仿真

2.1 计算模型

数值模型如图2所示,本次计算地层尺寸长×宽×高(厚)为317 m×142 m×80 m。基坑围护结构如图3所示,计算尺寸为长×宽×高(厚)为197 m×26 m×23 m。数值模型3D单元44 287个,节点43 889个,2D单元4 189个,节点2 781个,1D单元47 349个,计算所有工况费时18 h。基坑围护采用直径1 m的钻孔灌注桩,桩中心距1.4 m。基坑工程中这样的桩实际上可以简化成连续的墙,简化原理如图4和式(1)所示,计算后墙体厚度约为0.75 m,建立的基坑围护模型如图3所示。

(1)

基坑采用三道支撑,第一道支撑为混凝土支撑,路面盖板下对撑截面1.2 m×1 m(h),上覆400 mm空心混凝土板及150 mm混凝土路面措施。挖土工作面对撑截面1.2 m×0.8 m(h),吊车行走范围连系梁截面为1.2 m×1 m(h),之外截面为1.2 m×0.8 m(h),压顶冠梁截面为1.5 m×0.8 m(h),混凝土角撑截面为0.6 m×1.0 m(h)。第二、三道支撑采用φ600钢支撑,壁厚分别为16 mm和14 mm,腰梁和连系梁均为2×45C工字钢。立柱采用旋挖桩,直径1.4 m,中心距6.0 m。计算过程采用弹性力学板壳单元模拟铺盖板,梁单元模拟对撑、腰梁、连系梁和立柱,计算空间模型如图5所示。

2.2 计算参数和工况

基坑围护构件中立柱深度最大,达到了53 m,持力层基本为粉质黏土,因此计算过程主要考虑6层土体,数值计算时土体为弹塑性材料,服从摩尔库仑破坏准则,计算参数如表1所示。后村车站基坑施工工序较为复杂有12步之多,3D数值计算工作量非常大。因此,计算过程简化为主要的5个步骤,如表2所示。

表2 计算工况

3 仿真结果分析

3.1 围护结构变形分析

图6和图7分别是施加工况3—工况6时工况下围护结构的侧向变形曲线。从图6和图7中可以看到工况3时(开挖至约2 m)围护结构的最大侧向变形发生在坑底以下约6.5 m的地方。这是由于施加了地面15 kPa超载的缘故,荷载传递到较深土体,使得围护结构最大侧向变形发生在坑底以下6.5 m位置。当施加工况4时(开挖至约8.4 m)围护结构的最大变形位置基本没有发生改变,但是量值有所增加。这说明超载引起的围护结构最大侧向变形深度基本为坑底下6.5 m左右。进一步可以得到启示:基坑施工过程尽量不要于侧壁周边堆钢筋、水泥和砖石等材料,以免引起围护结构变形过大。随着施加工况5和工况6(分别开挖至14.7 m和18.5 m)围护结构变形进一步增大,最大变形位置发生转变到坑底以上。随着基坑开挖深度增加,围护结构最大侧向变形位置有所下移,但是始终位于基坑开挖面以上。该现象于一般软土基坑中,最大围护结构变形发生于坑底附近,甚至坑底以下的情况不同。这也反映出黄土强度高于软土的特性。从图6和图7中还可以看出,端头井较标准段围护结构变形大,该现象并不违背基坑的“空间效应”原理。正是标准段采用了对撑,其刚度强于端头井的斜撑而引起的。

图8为开挖至坑底时围护结构沿着车站横向的变形云图。

从图8中可以看出围护结构在坑底上方附近变形较大,并且变形呈现三维效应,说明基坑的“空间效应”普遍存在。从该现象可以看出,基坑设计时可以把对撑加强,而边、角支撑可相对弱些,便于节省材料。

图9为围护结构和土体侧向变形对比曲线,图中反映随着基坑开挖深度增加,围护结构和土体之间存在变形不一致的现象,即脱空现象。这种现象在连续墙作为围护结构的基坑工程中有实测资料证实,但是采用围护桩的基坑中,实测资料中鲜有所闻。本文计算为了简便根据刚度相等原理,把围护桩简化为连续墙才会有此现象。

3.2 地面沉降分析

图10是地面沉降曲线,从图中可以看到坑后地面沉降呈抛物线形态。其表达式可以近似用三段直线来表示。

图10中最大沉降量发生在距离基坑侧壁16 m的位置,约为基坑开挖深度的0.86倍,大于软土地区的0.5倍开挖深度(见图11)。由于黄土强度普遍高于软土,该基坑最大沉降量约为1.5 cm(见图12),因此其影响分区不能像图11那样划分。本文算例中基坑侧壁到最大沉降量处水平距离为16 m,小于基坑开挖深度18.5 m,该区域斜率较大,可以定义为主要影响区。而最大沉降量至未变形区域约为24 m,大于基坑开挖深度,那么该区域可以定义为次要影响区域。其余为未影响区域,沉降分区划分如图10所示。

3.3 监测资料与数值结果对比分析

图13为该基坑局部围护结构测斜管和地面沉降点平面布置图,其中代表性的监测结果分析绘制于图7和图10中。图7和图10测斜监测数据较数值计算结果小少许,总体趋势规律较为相符,反映出数值结果能较好的模拟基坑施工过程力学效应对基坑周边土体的影响。

4 结论

通过黄土地层盖挖顺作基坑实例的数值分析,分析了黄土基坑坑后的变形特性,得到了如下结论:

1)由于黄土强度普遍高于软土,导致黄土地区围护结构最大变形发生于坑底以上。2)黄土地区同样空间效应明显,建议可以充分利用,加强对撑设计,边、角支撑可以适当弱化,以便于节省材料。3)盖挖顺作基坑地面沉降类似于抛物线形,可以分为3个变形区域,其中主要变形区域距离基坑侧壁为0.86基坑开挖深度;次要变形区距离基坑侧壁1.9基坑开挖深度,完全不同于软土地区。对于黄土地区地面分区,建议影响分区不要照搬软土地区经验,应根据斜率要求具体划分。