數(shù)值模擬在地鐵基坑樁體變形研究中的應(yīng)用

韓函，高玉華 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

隨著社會經(jīng)濟水平的提高以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化程度大幅提高，人們不斷向城市聚集，造成城市人口密度不斷增加，為了緩解人口及空間問題，人們對于建筑物的規(guī)模提出了更高的要求，同時也將目光聚焦在地下空間的利用。自上世紀(jì)七十年代至今，基坑工程在我國得到了飛速的發(fā)展，但由于城市化程度的提高，基坑工程通常緊鄰交通要道、人流量較大、地下管網(wǎng)密集，且周邊多為高層建筑物，導(dǎo)致基坑工程施工場地較為狹窄，如何在錯綜復(fù)雜的環(huán)境中施工，并且保證基坑工程的質(zhì)量安全、減少對周邊已有建（構(gòu)）筑物、地下管線的影響成為了近代基坑工程需要考慮的重點。

自上世紀(jì)70年代，Clough首次提出將有限元方法運用到基坑工程的研究中，數(shù)值模擬方法在基坑工程中的應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展，Duncan、Chang[1]對大量基坑工程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，將模擬計算結(jié)果同理論計算結(jié)果進(jìn)行對比并完成對有限元方法的修正，提出了Duncan-Chang模型來考慮土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Charles W.Ng與Martin Lings[2]于1995年提出將非線性塊體模型和完全彈性的Mohr-columb理論分別運用于有支護(hù)和無支護(hù)開挖條件下的硬塑性黏土基坑進(jìn)行數(shù)值模擬。沈珠江[3]提出將封閉屈服面模型應(yīng)用在正常固結(jié)土及超固土中，拓展了劍橋模型的適用范圍并證明了該模型的廣泛的適用性。周松、王洪新[4]建立了雙剛度模型，考慮了基坑開挖時的時空效應(yīng)以及基坑的尺寸效應(yīng)，為基坑研究提供依據(jù)。俞建霖、龔曉南[5]運用空間有限單元法對基坑施工過程中基坑底部隆起空間分布、周邊地表沉降空間分布、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形空間分布分別進(jìn)行研究分析，根據(jù)工程實例證明了有限單元法進(jìn)行數(shù)值模擬在工程中的可靠性。

1 工程地質(zhì)條件

H市地鐵3號線北至相城路站，南至方興大道站，3號線全長37.2km，共設(shè)置33座車站。界首路站位于臨泉路與界首路交叉口，車站與臨泉路平行，沿東西向布設(shè)。車站界首路站主體采用明挖法施工，車站站臺寬12m，車站埋深約2.75m～4.42m。結(jié)構(gòu)形式為地下二層單柱雙跨（局部雙柱三跨）島式站臺車站，全長共478.45m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.7m，車站兩端均為盾構(gòu)區(qū)間。車站采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系，標(biāo)準(zhǔn)段基坑平均深度約17m（西側(cè)盾構(gòu)井段17.95～18.18m，東側(cè)盾構(gòu)井段21.93～22.06m），覆土厚度 2.75～4.42m，地面設(shè)計標(biāo)高約24.46～28.56m。車站共設(shè)置4個出入口、3組風(fēng)亭，出入口、風(fēng)亭等附屬結(jié)構(gòu)均采用明挖法施工。車站主體及附屬明挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系，內(nèi)支撐為鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐。

界首路站東側(cè)端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1200@1500鉆孔灌注樁，內(nèi)支撐共4道，第一道為800mm×800mm的鋼筋混凝土支撐，其余三道均為φ609mm、管壁厚16mm的鋼管支撐，鉆孔灌注樁頂部冠梁截面尺寸為800×1700（高×寬）,結(jié)構(gòu)剖面圖如下所示。界首路站標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1000@1300鉆孔灌注樁，冠梁截面尺寸為（高×寬）,內(nèi)支撐均同東側(cè)端頭井一致。

圖1 界首路站地質(zhì)剖面圖

土層參數(shù) 表1

2 模型的建立及計算結(jié)果分析

2.1 模型建立

界首路站全長478.45m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7m，本文選取標(biāo)準(zhǔn)段開挖過程作為分析對象建立有限元模型。影響基坑開挖范圍的因素較多，例如：土質(zhì)條件、開挖深度、基坑開挖形狀等。Midas GTS NX模型中，水平邊界距基坑邊界設(shè)置為3倍基坑開挖深度；與地面垂直方向，模型底部至基坑底部距離設(shè)置為2倍開挖深度。考慮到工程特殊性與周邊建筑物，標(biāo)準(zhǔn)段模型選取42軸至50軸共計64m長的區(qū)間作為對象，最終計算模型尺寸為244m×129m×54m。有限元模型如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果可以得出，車站結(jié)構(gòu)底板主要位于黏土層，鉆孔灌注樁樁底部分位于粉土層，部分位于黏土層。本文采用Mohr-Coulomb模型作為土體的本構(gòu)模型，考慮模型計算工作量模型土體皆采用六面體實體單元，并按照勘察報告分別進(jìn)行定義。土體力學(xué)參數(shù)如下表所示。

土層參數(shù)表 表2

標(biāo)準(zhǔn)段施工工況及模型實現(xiàn)方式 表3

2.2 計算結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬，選取監(jiān)測斷面27處的樁體側(cè)移數(shù)據(jù)，繪制工況3-工況11下樁體側(cè)移與支護(hù)樁深度的關(guān)系曲線圖如圖3所示。

圖3 支護(hù)樁水平位移計算曲線

從樁體水平位移曲線圖中可以看出，在基坑開挖初期，支護(hù)樁位移大致呈線性，支護(hù)樁樁體水平曲線呈“鼓肚狀”，并且隨著基坑開挖更加飽滿，支護(hù)樁樁體位移最大值為22.48mm，出現(xiàn)在距離樁頂12m處。支護(hù)樁位移增幅最大值發(fā)生在冠梁及混凝土支撐澆筑完成至第一道鋼支撐架設(shè)前這一階段，出現(xiàn)在距離樁頂11.4m處，最大增幅為11.6mm，滿足相關(guān)規(guī)范中樁體水平位移累計值不得超過30mm的要求。因此應(yīng)對該階段樁體水平位移進(jìn)行重點關(guān)注，在開挖至設(shè)計高度后應(yīng)及時架設(shè)鋼管支撐，防止因支撐架設(shè)不及時導(dǎo)致支護(hù)樁向坑內(nèi)位移較大產(chǎn)生坍塌、傾倒事故。工況9至工況11支護(hù)樁樁體位移變化較小，這是由于第三道鋼管支撐架設(shè)后開挖面至基坑底部深度較前幾層開挖深度較淺的緣故。

3 計算值與實測值對比

將界首路站標(biāo)準(zhǔn)段測點ZQT27處支護(hù)樁在工況3/5/7/9/11下的樁體側(cè)移實測值與計算值進(jìn)行對比分析，并繪制樁體側(cè)移對比圖如圖4下所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)段支護(hù)樁側(cè)移監(jiān)測值與計算值對比曲線

根據(jù)對比曲線分析可以看出，實際監(jiān)測值與模擬計算值整體趨勢較為一致，樁體最大位移發(fā)生在第一道支撐與第二道支撐之間，支護(hù)樁水平位移監(jiān)測最大值為20.35mm，模擬計算最大值為22.36mm，皆不超過樁體水平位移控制值30mm。在實際監(jiān)測中，支護(hù)樁樁頂向基坑外側(cè)發(fā)生位移，原因是基坑外側(cè)淺層土體剛度較小，支撐架設(shè)時預(yù)加了較大應(yīng)力，土體受到被動土壓力達(dá)到極限平衡狀態(tài)。支護(hù)樁在工況3至工況5期間樁體側(cè)移值漲幅較為明顯，應(yīng)對該階段進(jìn)行重點監(jiān)測。由于現(xiàn)場大型機械施工、材料堆載以及道路車流等因素，模擬值與監(jiān)測值有一定偏差。由對比圖可知，樁體側(cè)移實測值在支撐架設(shè)位置有一定的減小，因此在實際施工時應(yīng)按照設(shè)計及時架設(shè)支撐，約束支護(hù)樁體變形，保障工程安全。

4 小結(jié)

根據(jù)界首路站實測值與計算值對比結(jié)果顯示，利用有限元軟件對基坑支護(hù)樁樁體水平位移進(jìn)行模擬計算結(jié)果較為準(zhǔn)確，樁體位移變化趨勢以及數(shù)值都非常接近實際檢測值，模型參數(shù)選取合理，證明數(shù)值模擬應(yīng)用于樁體水平位移模擬具有較強的可靠性和應(yīng)用價值。