基于ANSYS的地鐵車站深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

孟文清,秦志偉,張亞鵬,張笑珠

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北邯鄲 056038;2.集瑞聯(lián)合重工有限公司,安徽蕪湖 241000)

近年來,隨著地下空間的開發(fā)利用,深基坑工程在我國(guó)城市中大量涌現(xiàn)。然而作為一個(gè)復(fù)雜的巖土工程問題,在深基坑開挖過程中,不僅會(huì)遇到設(shè)計(jì)階段難以預(yù)測(cè)到的問題,而且地質(zhì)情況與勘察報(bào)告不一致的情況也非常常見,因而基坑事故時(shí)有發(fā)生[1]。傳統(tǒng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用等值梁法、m法等近似計(jì)算方法[2-3]。近年來,也有不少學(xué)者采用二維有限元方法,考慮了支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用[4]。工程實(shí)踐表明,深基坑兩端壁處存在明顯的空間效應(yīng),二維有限元分析有著很大的局限性,于是陸新征等人采用三維有限元法研究了深基坑開挖過程中的空間效應(yīng)問題,研究結(jié)果表明,基坑的空間幾何尺寸和施工過程對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有著重要影響[5-9]。

本文根據(jù)廣州市某地鐵車站深基坑工程的具體特點(diǎn),通過ANSYS建立三維有限元模型對(duì)基坑施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,考慮了土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用以及空間效應(yīng)的影響,計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

1 工程概況

1.1 工程背景

廣州地鐵三號(hào)線永泰站深基坑位于白云區(qū)尖彭路與廣從路交叉口西南側(cè),深為17.5m。基坑西南側(cè)有一單層倉(cāng)庫(kù),距基坑最近約1m,北側(cè)為正在施工的華南路三期高架橋橋墩,距基坑約3m;此外,由于工期處于雨季地下水位高,且地下溶洞較多地質(zhì)條件差,所以對(duì)基坑的變形控制也有較高要求。基坑場(chǎng)地各層土體的基本力學(xué)參數(shù)見表1。

1.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

鑒于基坑場(chǎng)地地質(zhì)情況及復(fù)雜的周圍環(huán)境,采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐相結(jié)合的支護(hù)體系。地連墻的平均嵌巖深度為1.5m。該車站主體結(jié)構(gòu)為地下2層,在鋼支撐及鋼圍檁拆除過程中,為了將內(nèi)支撐所承受的側(cè)向土壓力安全地轉(zhuǎn)移至主體結(jié)構(gòu),分別在主體結(jié)構(gòu)的頂板、中板和底板以上0.5m處設(shè)3道內(nèi)支撐,分別距離地表2m,7.5m和13.5m。此外,考慮到內(nèi)支撐的整體剛度和土方開挖機(jī)械的工作半徑等因素,支撐的最小水平間距取為3m。內(nèi)支撐的平面布置如圖1所示。

結(jié)合基坑平面的幾何形狀和內(nèi)支撐的特點(diǎn),內(nèi)支撐采用鋼筋砼支撐和圓鋼管支撐相結(jié)合的方式。第1道支撐使用鋼筋砼支撐,剛度比較大,其水平布置間距可以適當(dāng)放大,有利于充分發(fā)揮土方開挖機(jī)械的工作能力,而在第2、3道支撐中采用易于安裝和拆除的鋼支撐。

在地下連續(xù)墻施工完成之后開始基坑開挖,基坑開挖的水平施工順序沿線路走向,從東向西分區(qū)單向后退式進(jìn)行。土方開挖沿豎向根據(jù)內(nèi)支撐的布置分3層進(jìn)行開挖,內(nèi)支撐隨挖隨撐。為了確保支護(hù)方案的合理性,對(duì)基坑進(jìn)行了開挖過程的三維有限元分析,以確定支護(hù)方案的主要參數(shù)。

2 計(jì)算模型的建立

計(jì)算軟件采用通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析。土體采用空間六面體八節(jié)點(diǎn)單元Solid45來模擬,其本構(gòu)模型選用Druck-Prager理想彈塑性模型。鋼筋砼地下連續(xù)墻采用4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell63,鋼筋砼支撐及鋼管內(nèi)支撐采用空間梁?jiǎn)卧狟eam188,均假設(shè)為線彈性材料。

2.1 初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬

基坑由于土體自重作用而存在初始應(yīng)力場(chǎng),由初始應(yīng)力引起的位移在基坑開挖之前就已經(jīng)發(fā)生并且穩(wěn)定,對(duì)基坑的開挖不產(chǎn)生影響。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)及有限元計(jì)算結(jié)果,基坑開挖影響寬度約為開挖深度的3～4倍,影響深度約為挖深的2～4倍[10-12]。所以在有限元模型中,基坑開挖的影響深度取為55m,影響寬度取為45m。基坑的初始地應(yīng)力場(chǎng)采用讀入初應(yīng)力文件的方式來模擬。

表1 各層土體的力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of soil layers

2.2 鋼支撐預(yù)應(yīng)力的施加

在ANSYS中,鋼支撐預(yù)應(yīng)力的施加主要有初始應(yīng)變法和降溫法2種方式,經(jīng)過計(jì)算后都會(huì)發(fā)現(xiàn),鋼支撐的實(shí)際預(yù)應(yīng)力總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需要施加的預(yù)應(yīng)力,可能是由于結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力后產(chǎn)生變形而導(dǎo)致了預(yù)應(yīng)力損失。為了避免此類情況的發(fā)生,采用初始應(yīng)變法并結(jié)合ANSYS單元生死功能給鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力。

2.3 基坑開挖與支護(hù)的具體步驟

步驟1:建立整個(gè)基坑開挖影響區(qū)范圍內(nèi)的土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)模型,基坑的單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

步驟2:“KILL”所有支護(hù)結(jié)構(gòu)單元,并施加重力荷載,生成初始地應(yīng)力文件。

步驟3:讀入初始地應(yīng)力文件,并激活地下連續(xù)墻與冠梁。

步驟4:逐層“KILL”土體單元并“激活”相應(yīng)的內(nèi)支撐與圍檁單元,模擬開挖與支撐施工。

步驟5:重復(fù)步驟4直至開挖至基坑底部。

3 支護(hù)參數(shù)的確定

3.1 地下連續(xù)墻厚度的確定

在有限元分析中,通過改變地連墻的厚度來調(diào)整地連墻的剛度,研究基坑長(zhǎng)邊中間點(diǎn)的最大側(cè)向位移和墻身最大彎矩與地連墻厚度之間的關(guān)系(圖3)。

從圖3可以看出,地連墻的側(cè)向位移隨著墻體厚度的增加而減小,而墻體內(nèi)的最大彎矩隨著墻體厚度的增加而增加。當(dāng)墻體厚度達(dá)到0.8m時(shí),繼續(xù)增加墻體厚度對(duì)控制墻體側(cè)向位移的效果已不明顯;而當(dāng)墻體厚度超過0.8m時(shí),墻體最大彎矩增量比較明顯。因此,地連墻厚度取0.8m。

3.2 內(nèi)支撐剛度的的確定

在廣州市地鐵車站基坑工程中,比較常用的兩種鋼管內(nèi)支撐是φ 600×14和φ 600×16圓鋼管。在有限元分析中,通過改變內(nèi)支撐的截面大小來調(diào)整內(nèi)支撐的剛度,當(dāng)內(nèi)支撐取φ 600×14時(shí),設(shè)其剛度為K。當(dāng)調(diào)整內(nèi)支撐截面時(shí),基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)的最大側(cè)向位移與內(nèi)支撐剛度的關(guān)系如圖4所示。

從圖4中可以看出,在0.2K～1.0K之間,地連墻向基坑內(nèi)的側(cè)移隨著內(nèi)支撐剛度的減小而迅速增大,當(dāng)內(nèi)支撐剛度為0.2K時(shí),墻體的最大側(cè)移為388mm,明顯向基坑內(nèi)傾覆;當(dāng)支撐剛度超過1.2K時(shí),繼續(xù)增加支撐剛度對(duì)于控制地連墻側(cè)向位移作用已經(jīng)不大;當(dāng)內(nèi)支撐剛度從2.0K增加到3.0K時(shí),地連墻的最大側(cè)移僅僅減小了6mm。因此為了將地連墻的最大水平位移控制在30mm以內(nèi),可以取圓鋼管內(nèi)支撐φ 600×16,即內(nèi)支撐剛度為1.14K。

3.3 內(nèi)支撐預(yù)加軸力的確定

在有限元分析中,第2、3道鋼支撐的預(yù)加軸力初始值分別為1 200kN和900kN,在預(yù)加軸力初始值作用下,地連墻側(cè)向位移的坑內(nèi)收斂值為33mm。為了將其控制在允許值30mm以內(nèi),將鋼支撐預(yù)加軸力調(diào)整為1 300kN和1 000kN,此時(shí)地連墻的側(cè)向位移變化曲線如圖5所示。

從地連墻的側(cè)移曲線可以看出,在基坑的分層開挖過程中,地連墻的坑內(nèi)最大側(cè)移逐漸向墻體的下部移動(dòng);隨著下層支撐的架設(shè),地連墻頂部一定區(qū)域內(nèi)的墻體逐漸向基坑外側(cè)移動(dòng)。所以在基坑開挖過程中,倘若第1道支撐采用鋼支撐時(shí)需注意其內(nèi)力變化,以便在內(nèi)力減小時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力補(bǔ)充。

4 施工監(jiān)測(cè)結(jié)果

從地連墻的側(cè)移監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出(圖6),在基坑的東端和西端,由于基坑空間效應(yīng)的作用,地連墻的側(cè)移量都比較小,最終的坑內(nèi)收斂值都在20mm以內(nèi),位置在距離坑底約3m處;在基坑長(zhǎng)邊的中間段,地連墻的坑內(nèi)側(cè)移值也都控制在30mm左右,與有限元分析結(jié)果較為接近。

從沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果中(圖7)可以看出,基坑西南角單層倉(cāng)庫(kù)的沉降收斂值基本都在30mm左右,保證了該倉(cāng)庫(kù)的安全。

5 結(jié)論

1)采用初始應(yīng)變法并結(jié)合單元生死功能給鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力,避免了由于支護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起的預(yù)應(yīng)力損失。

2)地連墻厚度取0.8m,內(nèi)支撐剛度取1.14K,將第2、3道鋼支撐的預(yù)加軸力調(diào)整為1 300kN、1 000kN,能夠使地連墻的側(cè)向變形控制在30mm以內(nèi),保證了基坑工程和周圍環(huán)境的安全。

3)地連墻的側(cè)移值和基坑周圍沉降基本都在30mm左右,與有限元分析結(jié)果吻合較好,表明本基坑支護(hù)方案合理可行。

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