工作井基坑開挖及吊裝全過程土體應力路徑研究

歷朋林，朱士齊，劉 燕，曹 穎

(1.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211800；2.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250101；3.濟南大學 a.土木建筑學院，b.山東省城市地下工程支護及風險監控工程技術研究中心，山東 濟南 250022)

在基坑工程的施工過程中，開挖卸荷、架設支撐、坑頂吊裝等作用導致基坑周圍土層應力狀態變化復雜。土的應力-應變關系不僅與當前應力狀態有關，還依賴于過去和新近的應力歷史以及應力路徑等諸多因素，因此利用常規三軸加載試驗獲得的參數進行基坑設計和數值模擬必然會產生較大的誤差。研究[1-3]表明，在基坑開挖的典型卸荷條件下，土體產生剪應力，使得主應力軸轉動，并產生明顯的塑性變形，造成土體強度下降，宏觀上表現為土體力學響應整體“軟化”，如果忽視該特點而采用傳統塑性理論進行設計，風險性較大。這也是在實際基坑工程中，將開挖后周邊土體的變形量估計偏低而引起周邊環境問題的因素之一。

在深基坑開挖過程中，土體的應力路徑問題目前已為人們所關注和重視[4-8]。曾國熙等[4]總結得出基坑被動區土體單元側向荷載不變、豎向卸荷，而主動區土體單元豎向荷載不變、側向卸荷的結論。劉國彬等[5]進一步研究軟土基坑被動區的土體應力，認為被動區土體豎向卸荷時，側向荷載變化較復雜，可能不變或變大或變小，而坑外主動區土體應力路徑則與文獻[4]中的相同。吳宏偉等[6]對基坑卸荷應力路徑進行定性研究，發現被動區土體有效應力路徑等于室內不排水伸長試驗的應力路徑，而主動區土體的應力路徑不同于室內不排水壓縮試驗的應力路徑，但是袁靜等[7]認為，基坑開挖中主動區和被動區均處于卸荷狀態。何世秀等[8]通過真三軸試驗模擬基坑開挖坑周土體應力路徑，結果表明，應力-應變曲線在中主應力影響下變陡，極限應變減小，土體能承受更大的破壞應力。應宏偉等[9]提出了考慮主應力軸旋轉的三維應力路徑，并指出有必要提出考慮主應力軸旋轉的基坑開挖典型應力路徑，用以指導工程實踐。

本文中針對復雜應力路徑的應力-應變關系，采用有限元分析軟件ABAQUS對基坑分層開挖和吊裝施工全過程進行模擬，獲取不同位置處土體單元在不同工況時的應力路徑，研究土體單元變化規律，得出吊車荷載影響范圍。

1 工程背景

濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑寬度為36.6～52.4 m，長度為150 m，覆土厚度約為3 m，底板埋深為26.2～31 m，最大挖深為31.2 m，順作法施工，屬深基坑，地層由上至下分別為填土、黏質粉土、粉質黏土、砂質粉土、粉質黏土、黏土、粉質黏土、細砂、粉質黏土。工作井附近地下水為第四系松散覆蓋層的孔隙潛水，埋深為1.10～2.80 m，含水層主要為人工填土、黏質粉土、粉質黏土、粉細砂等，主要受水庫、沉砂池、黃河以及降雨補給，排泄方式為徑流、蒸發及人工開采等。

基坑采用地連墻和內支撐，地連墻厚度為1.2 m，深度為50 m，共設5道支撐，其中，第1、4道采用混凝土支撐，第2、3、5道采取鋼支撐。濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑的支護結構平面及尺寸如圖1所示。

圖1 濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑的支護結構平面及尺寸

2 考慮主應力軸旋轉的應力路徑描述

劉熙媛等[10]將基坑開挖階段周圍土體分為3個區域，在基坑開挖過程中，各區域土體的典型應力路徑不相同，如圖2[10]所示。

圖2 基坑開挖影響區域劃分[10]

采用p、q、α這3個參數描述二維平面中土體單元的應力狀態變化，其中p為平均壓應力，q為廣義剪應力，α為大主應力旋轉角，定義為大主應力與豎直方向夾角，順時針旋轉的α值為正[9-10]，如圖3所示。

σ1—大主應力；σ3—小主應力；α—大主應力旋轉角。圖3 二維平面中土體單元的大主應力旋轉角示意圖

在二維分析中，通常可假定中主應力等于小主應力，假設土體單元中某點應力狀態為σ={σx,σy,τxy}，則

(1)

(2)

(3)

式中：σx為x方向的主應力；σy為y方向的主應力；τxy為xoy平面的切應力。

3 有限元數值模擬

3.1 模型建立

有限元整體模型尺寸為80 m×100 m(寬度×長度)，圍護結構采用地連墻和內撐，均采用一維梁單元模擬，地連墻深度為50 m，厚度為1.2 m，梁單元表面與土體單元表面采用帶(Tie)接觸，兩側限制模型水平位移，底部限制水平、豎向2個方向位移。土體采用修正劍橋模型，在吊裝階段采用QUY650型履帶吊，吊裝質量為370 t的盾構刀盤。履帶吊自重為775 t(包含機身自重、車身配重、中心壓重及超起平衡重)。基坑開挖階段遵循分層開挖分層支撐的施工順序，待底板施工完畢后開展吊裝工作。濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑的施工模擬工況如表1所示。

表1 濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑的施工模擬工況

3.2 本構選取

F—坑頂吊裝荷載，包括履帶吊荷載和盾構刀盤荷載；A1、A2、B1、B2、C1、C2—選取的6個典型土體單元，具體位置坐標分別為A1(16,100)、A2(16,90)、B1(16,72)、B2(16,52)、C1(5,72)、C2(10,72);xoy—平面直角坐標系。圖4 濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑的施工模擬典型土體單元位置坐標及編號

4 考慮主應力軸旋轉的應力路徑分析

4.1 主動區

土體單元A1、A2位于支護墻體正后方的主動區位置，圖5所示為濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑自基坑開挖到吊裝刀盤完成時土體單元A1、A2

p—平均壓應力；q—廣義剪應力；α—大主應力旋轉角；σy,0—基坑未開挖時土體單元的豎向應力。圖5 濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑自基坑開挖到吊裝刀盤完成時土體單元A1、A2的應力路徑

(a)A1單元

4.2 被動區

p—平均壓應力；q—廣義剪應力；α—大主應力旋轉角；σy,0—基坑未開挖時土體單元的豎向應力。圖7 濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑自基坑開挖到吊裝刀盤完成時土體單元C1、C2的應力路徑

(a)C1單元

4.3 過渡區

p—平均壓應力；q—廣義剪應力；α—大主應力旋轉角；σy,0—基坑未開挖時土體單元的豎向應力。圖9 濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑自基坑開挖到吊裝刀盤完成時土體單元B1、B2的應力路徑

5 吊車荷載影響范圍分析

由應力路徑分析可知，當吊車荷載作用時，大主應力旋轉角會逆時針旋轉，產生回轉現象，現取距吊車荷載水平距離分別為0、3、9、12、18、24 m的6個斷面，以每個斷面深度為縱坐標，吊車荷載作用前后大主應力旋轉角差值為橫坐標，繪制大主應力旋轉角差值分析圖，如圖11所示。根據大主應力旋轉角差值的大小，將荷載作用寬度為0～9 m、深度為0～12 m的范圍定義為主要影響區，深度約為荷載作用寬度的1.3倍。寬度為9～18 m、深度為12～20 m的范圍定義為次要影響區，寬度為18 m、深度為20 m之外的范圍定義為無影響區，各影響區土體單元大主應力旋轉角差值約為最終旋轉角的0～1/4。具體吊裝荷載影響范圍如圖12所示。

(a)B1單元

圖11 濟南黃河隧道盾構始發工作井基坑的吊裝完盾構刀盤時6個斷面的大主應力旋轉角差值

6 結論

本文中以濟南市黃河隧道盾構始發工作井為研究實例，運用有限元分析軟件ABAQUS，根據現場實際施工過程，分析不同區域、不同施工工況時土體單元的大、小主應力及大主應力軸旋轉情況，得出以下主要結論：

F—坑頂吊裝荷載，包括履帶吊荷載和盾構刀盤荷載。圖12 吊車荷載影響范圍示意圖

1)與傳統二維應力路徑平均壓應力—廣義剪應力相比，考慮主應力軸旋轉時，三維應力路徑平均壓應力—廣義剪應力—大主應力旋轉角更能具體反映不同土體單元不同工況時的應力路徑狀態。

2)在基坑開挖階段，坑底土體單元主要為豎向卸荷，卸荷前豎向應力為大主應力，開挖后豎向平均壓應力不斷減小，廣義剪應力不斷增大，大主應力軸發生較大角度的旋轉；而坑外土體單元以側向卸荷為主，大主應力軸旋轉較小。

3)坑內土體單元大主應力軸旋轉明顯，隨著基坑的開挖，大主應力旋轉角呈階躍式增大，缺少中間過渡階段，最終大主應力旋轉角接近90°，并且旋轉程度呈現空間性特征，隨著與基坑中心距離的增大，大主應力旋轉角逐漸減小，這與常規三軸加載實驗的工況有很大區別，因此基坑開挖階段土體參數應考慮坑內土體的應力旋轉效應。由于坑外土體單元主應力旋轉角度較小，因此在計算時可不考慮主應力軸旋轉的影響。

4)在開挖到底后的吊裝階段，吊車正下方的土體單元的大主應力旋轉角產生較大的逆時針旋轉，約為最終旋轉角的0～1/4，而吊裝對坑內土體的影響較小。此外，吊裝荷載的影響范圍主要發生在吊車下方深1.3倍荷載寬度的三角形范圍內，1.3～2.0倍深度范圍為次影響區。