地鐵基坑開挖下周圍土體應(yīng)力-變形分析

尹明遠(yuǎn)

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司,上海 200070)

0 引言

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快,城市地下空間的發(fā)展也進(jìn)入到了一個高速發(fā)展的時期。導(dǎo)致我國城鎮(zhèn)用地日趨緊缺,地鐵車站、購物中心、地下車庫、地下人防工程等大型地下工程項(xiàng)目相繼出現(xiàn)。由于這種深大基坑有開挖深度大、危險性大、施工因素復(fù)雜等特性,施工時既要確保其本身的安全性,又要確保周邊建筑及地下管道的正常運(yùn)行。

與淺基坑相比,深基坑更容易產(chǎn)生變形和穩(wěn)定性問題,對周圍建筑物的影響更大。在深基坑施工過程中,土體可能受到的影響因素有水位變化、結(jié)構(gòu)變化、應(yīng)力狀態(tài)變化等,這些變化可能會導(dǎo)致土體性狀的變化,從而使描述土體性狀的物理力學(xué)參數(shù)也將發(fā)生改變。由基坑開挖引起的周圍土體應(yīng)力狀態(tài)變化、失穩(wěn)與破壞的發(fā)展過程的變化,可能造成深基坑的失穩(wěn)和破壞,給施工建設(shè)、建筑物周圍環(huán)境帶來危害[1-2]。

PengPeng Ni等[3]采用自行研制的三軸實(shí)驗(yàn)裝置,對大、小主應(yīng)力加載及卸載過程中土體變形特性進(jìn)行了研究。其實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),土體卸荷時,試件的抗剪強(qiáng)度及剛性均低于正常值。JunPingYuan等[4]通過對加載-壓縮試驗(yàn)、卸載-拉伸試驗(yàn)及卸載-壓縮試驗(yàn),研究加載與卸載狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的差異。其研究發(fā)現(xiàn),卸荷路徑下的內(nèi)摩擦角要比載荷路徑下大,卸載因子對其影響較大。施建勇等[5]通過應(yīng)力路徑控制的三軸儀進(jìn)行土體主被動兩種應(yīng)力路徑下的排水剪三軸試驗(yàn),表明側(cè)向卸荷應(yīng)力路徑條件下的試驗(yàn)結(jié)果可以很好地用雙曲線進(jìn)行模擬,并研究了不同初始圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。孫華圣等[6]在離心模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過有限元方法,得出了土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對基坑豎直變形影響不大,土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越大,基坑水平變形越小。魯泰山等[7]對現(xiàn)有施工擾動評價方法進(jìn)行總結(jié),研究了不同開挖深度下坑底中心土體擾動度的分布規(guī)律及強(qiáng)擾動區(qū)深度,并建立了基于不排水抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的黏性土開挖擾動評價方法。

在深基坑施工過程中,因卸荷影響,土體的力學(xué)性能會發(fā)生不同程度的下降,從而會使支撐結(jié)構(gòu)承受的土壓力發(fā)生改變。深基坑工程中,由于受力途徑的限制,各種施工工藝和支撐形式所產(chǎn)生的應(yīng)力路徑也不盡相同,因此,各種應(yīng)力路徑會對土的強(qiáng)度參數(shù)產(chǎn)生較大的影響[8-9]。長江漫灘地區(qū)土質(zhì)較軟,在軟弱場地進(jìn)行基坑施工時,往往伴隨著巨大的地層位移,很多時候會超過規(guī)范報警值。研究該地區(qū)基坑開挖土體的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律,可以降低工程事故的發(fā)生。

本文以南京市某地鐵基坑工程為例,通過數(shù)值模擬的方法,分析基坑開挖不同區(qū)域的土體應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律,以便為該地區(qū)類似基坑工程施工提供一定參考。

1 應(yīng)力路徑分析

針對于應(yīng)力路徑,目前得到最廣泛使用的還是建立在經(jīng)典彈塑性理論框架內(nèi),臨界狀態(tài)力學(xué)基礎(chǔ)上的劍橋系列模型及在其基礎(chǔ)上所進(jìn)行的各種修正和改進(jìn)。部分模型能從一定程度上對天然K0應(yīng)力狀態(tài),三維屈服特性進(jìn)行描述,但多數(shù)模型仍依據(jù)等向固結(jié)條件下的軸向加荷試驗(yàn),劍橋系列彈塑性模型,以描述軸向加載應(yīng)力路徑為主,對天然土層在經(jīng)歷了K0固結(jié)后的開挖應(yīng)力路徑存在明顯不足,勢必導(dǎo)致有限元計算應(yīng)力變形結(jié)果和工程實(shí)際有較大差別。開展開挖應(yīng)力路徑試驗(yàn),研究土體在典型應(yīng)力路徑條件下應(yīng)力變形特性,進(jìn)而發(fā)展相應(yīng)土體模型,不僅是合理模擬開挖工程中土體應(yīng)力變形規(guī)律的前提,而且對研究開挖土體內(nèi)部應(yīng)變局部化發(fā)生、發(fā)展的漸進(jìn)破壞過程非常必要。

由于深基坑與常規(guī)荷載作用下的地基土相比,其既有開挖卸載現(xiàn)象,又有其自身的受力途徑,所以,長壁深基坑可以看作是一個平面應(yīng)變問題,根據(jù)其斷面位置,可以將其分為3個區(qū)段,如圖1所示。

Ⅰ區(qū):在深挖過程中,支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了橫向變形,此時,該部位的水平應(yīng)力降低,稱為橫向卸載;垂直方向上的應(yīng)力大致相同,但在靜態(tài)和動態(tài)的作用下,水平方向的應(yīng)力發(fā)生了改變。

Ⅱ區(qū):隨著上部土體的開挖,這部分土體的上覆壓力不斷減小,豎向應(yīng)力減小,即軸向卸荷,水平向應(yīng)力一般認(rèn)為不變。隨著坑底隆起及支護(hù)結(jié)構(gòu)向內(nèi)移動,坑腳處出現(xiàn)塑性區(qū)。

Ⅲ區(qū):此區(qū)處于開挖過渡區(qū),應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜,基坑開挖過程中,土單元體水平及垂直方向應(yīng)力都發(fā)生了變化,主應(yīng)力方向發(fā)生了轉(zhuǎn)動。一般認(rèn)為豎向應(yīng)力減小,水平向應(yīng)力也減小。

根據(jù)上述基坑開挖應(yīng)力路徑,繪制p-q關(guān)系曲線,以方便描述不同應(yīng)力路徑應(yīng)力變化規(guī)律。在p-q應(yīng)力平面中進(jìn)行應(yīng)力路徑分析,其中,p為平均正應(yīng)力,q為偏應(yīng)力。p=(σ1+σ3)/2,q=(σ1-σ3)/2,如圖2所示。

圖2中,O表示初始應(yīng)力狀態(tài)。

應(yīng)力路徑OA,小主應(yīng)力減小,大主應(yīng)力保持不變,即側(cè)向卸荷,此路徑可對應(yīng)基坑工程中的Ⅰ區(qū)所對應(yīng)的應(yīng)力路徑。

應(yīng)力路徑OB,小主應(yīng)力和大主應(yīng)力同時減小,大主應(yīng)力減小幅度小于小主應(yīng)力減小幅度,此應(yīng)力路徑是基坑工程中的Ⅲ區(qū)所對應(yīng)的應(yīng)力路徑。

應(yīng)力路徑OC,小主應(yīng)力和大主應(yīng)力均減小,減小幅度相同,即偏應(yīng)力不變,此應(yīng)力路徑也是基坑工程中的Ⅲ區(qū)所對應(yīng)的應(yīng)力路徑,只是反映的位置點(diǎn)不同。

應(yīng)力路徑OD,小主應(yīng)力和大主應(yīng)力同時減小,大主應(yīng)力減小幅度大于小主應(yīng)力減小幅度,此應(yīng)力路徑也是基坑工程中的Ⅲ區(qū)所對應(yīng)的應(yīng)力路徑。

應(yīng)力路徑OE,小主應(yīng)力不變,大主應(yīng)力減小,即常規(guī)軸向卸荷,為基坑工程中的Ⅱ區(qū)所對應(yīng)的應(yīng)力路徑。

應(yīng)力路徑OF,常規(guī)加載應(yīng)力路徑,此路徑可以反應(yīng)基坑周邊堆載工況。

應(yīng)力路徑OG,此路徑卸荷比例介于1和1/K0之間,所以單獨(dú)列出。與路徑OD對應(yīng)的開挖位置類似。土中水的作用會引起土體顆粒之間的有效應(yīng)力的變化,從而引起土體的沉降。當(dāng)?shù)叵滤懦鰰r,土體中的水分被降低,土體中的有效應(yīng)力增大,從而形成一個新的應(yīng)力平衡狀態(tài),同時,由于有效應(yīng)力的增加,土體的結(jié)構(gòu)會受到擠壓,從而產(chǎn)生沉陷。然而,由于土壤的物性十分復(fù)雜,滲流對地表沉降的影響不容忽視。而我們通常使用的滲流原理和有關(guān)固結(jié)原理的有關(guān)知識在下文中進(jìn)行簡單的剖析。

2 有限元模型建立

2.1 項(xiàng)目概況

南京某地鐵基坑工程,全長398 m,為一座兩層島式的基坑,采用單柱雙跨箱型結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)區(qū)寬20.1 m,總長度398 m,標(biāo)準(zhǔn)區(qū)底部為16.35 m。使用1 000 mm厚的防滲墻;支架體系:1層、3層采用800×1 000的鋼筋混凝土支架,支架間距通常為9 m;第二道和第四道鋼支架和倒拉條(φ800 mm,t=20 mm),橫向距離為3 m;在中部設(shè)有一列臨時的支柱,該支柱同時也是一根抗拔支柱。

車站地貌類型均屬長江漫灘平原,地勢較平坦,車站現(xiàn)狀地面高程在5.35 m～6.91 m之間。通過勘探結(jié)果可知巖層構(gòu)造及地下水的分布情況,分為孔隙潛水、承壓水及基巖裂縫水三類。

2.2 模型建立

本工程基坑形狀為異形喇叭口狀,本文所建模型以對稱原則取其開挖的一半,整個模型長度為40 m,厚度為50 m。采用GeoStudio軟件中的SIGMA/W模塊對基坑模型進(jìn)行數(shù)值模擬,整個模型以1.1 m四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。對于該深基坑工程施工過程中涉及的土體分層開挖、支護(hù)結(jié)構(gòu)(地下連續(xù)墻)的設(shè)置進(jìn)行了二維建模。為了簡化計算,模型基本假定如下:

1)將墻后地表視為一種平面,并將其視為均勻各向同性的介質(zhì)。假設(shè)地基土是一個理想的彈塑性介質(zhì),地基和地基上的支撐都是彈性體。將各層按統(tǒng)一的方式進(jìn)行排列,沒有交叉,每一層都用一個固體元素進(jìn)行建模,然后按照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果將對應(yīng)的物性參數(shù)分別輸入進(jìn)去。

2)不考慮地下連續(xù)墻施工引起的地表應(yīng)力及位移場變化。

3)不考慮土體與地下連續(xù)墻間的摩擦。

4)不考慮土體的排水固結(jié)。

根據(jù)勘察資料,該工程各土層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

斷面共需開挖五次,設(shè)置四道支撐。本文研究應(yīng)力路徑對基坑開挖的應(yīng)力-應(yīng)變的影響,建模分析不同應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變。基坑模型如圖3所示。

3 計算結(jié)果分析

3.1 Ⅰ區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變分析

根據(jù)基坑的斷面數(shù)值模型,在開挖狀態(tài)下,基坑Ⅰ區(qū)選定一個位置為節(jié)點(diǎn)1 756,在模型中分析其應(yīng)力單元,如圖4所示。

從圖4中可以看出,未開挖時節(jié)點(diǎn)豎直向和水平向的應(yīng)力分別為73.026 kPa和50.888 kPa,剪應(yīng)力較小為0.018 9 kPa。

通過圖5的應(yīng)力莫爾圓,可以看出最大主應(yīng)力為73.026 kPa,小主應(yīng)力為50.888 kPa。

從圖6可以看出,開挖后同一節(jié)點(diǎn)應(yīng)力單元豎直向應(yīng)力為68.661 kPa,水平向應(yīng)力為40.089 kPa,水平向應(yīng)力減小較大。而剪應(yīng)力在增大,并且剪應(yīng)力的方向發(fā)生了改變。

根據(jù)圖7可以看出,同一節(jié)點(diǎn)基坑開挖后最大主應(yīng)力為71.816 kPa,最小主應(yīng)力為36.934 kPa,相比較于未開挖時主應(yīng)力減小。

基坑在未開挖時認(rèn)為基坑水平和豎向應(yīng)變都為零,下面分析基坑在開挖后的Ⅰ區(qū)應(yīng)變。

根據(jù)圖8,該分析節(jié)點(diǎn)基坑開挖后Ⅰ區(qū)的水平向應(yīng)變?yōu)?.001 65,豎直向應(yīng)變?yōu)?.000 78,可以看出,水平向應(yīng)變比豎直向應(yīng)變要大得多,符合應(yīng)力路徑OA(小主應(yīng)力減小,大主應(yīng)力保持不變,即側(cè)向卸荷)。

3.2 Ⅱ區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變分析

根據(jù)基坑模型,基坑Ⅱ區(qū)選定一個位置為節(jié)點(diǎn)795,在模型中分析其應(yīng)力單元如圖9所示。

從圖9中可以看出,未開挖時節(jié)點(diǎn)豎直向和水平向的應(yīng)力分別為455.84 kPa和310.08 kPa,剪應(yīng)力較小為0.015 kPa。

通過圖10的應(yīng)力莫爾圓,可以看出最大主應(yīng)力為445.84 kPa,小主應(yīng)力為310.08 kPa。

從圖11可以看出,開挖后同一節(jié)點(diǎn)應(yīng)力單元豎直向應(yīng)力為101.91 kPa,水平向應(yīng)力為231.39 kPa,豎直向應(yīng)力減小較大。而剪應(yīng)力在增大,方向發(fā)生了改變。

根據(jù)圖12可以看出,同一節(jié)點(diǎn)基坑開挖后最大主應(yīng)力為232.66 kPa,最小主應(yīng)力為100.64 kPa,相比較于未開挖時主應(yīng)力減小。

基坑在開挖后的Ⅱ區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)變?nèi)鐖D13所示。

根據(jù)該分析節(jié)點(diǎn),基坑開挖后Ⅱ區(qū)的水平向應(yīng)變?yōu)?.001 75,豎直向應(yīng)變?yōu)?0.005 64,可以看出,在Ⅱ區(qū)的水平向應(yīng)變要遠(yuǎn)小于豎直向應(yīng)變,且此區(qū)域的豎直向應(yīng)變是拉伸的,符合應(yīng)力路徑OE(小主應(yīng)力不變,大主應(yīng)力減小,即常規(guī)軸向卸荷)。

3.3 Ⅲ區(qū)應(yīng)力-應(yīng)變分析

根據(jù)基坑模型,基坑Ⅲ區(qū)選定一個位置為節(jié)點(diǎn)816,在模型中分析其應(yīng)力單元如圖14所示。

圖14中可以看出,未開挖時節(jié)點(diǎn)豎直向和水平向的應(yīng)力分別為455.01 kPa和309.14 kPa,剪應(yīng)力較小為0.69 kPa。

通過圖15的應(yīng)力莫爾圓,可以看出最大主應(yīng)力為445.01 kPa,小主應(yīng)力為309.13 kPa。

從圖16可以看出,開挖后同一節(jié)點(diǎn)應(yīng)力單元豎直向應(yīng)力為409.12 kPa,水平向應(yīng)力為259.96 kPa,豎直向應(yīng)力和水平向應(yīng)力都有減小,小主應(yīng)力減小幅度略大。剪應(yīng)力增大,方向發(fā)生了改變。

根據(jù)圖17可以看出,同一節(jié)點(diǎn)基坑開挖后最大主應(yīng)力為409.68 kPa,最小主應(yīng)力為259.39 kPa,相比較于未開挖時主應(yīng)力減小。基坑在開挖后的Ⅲ區(qū)節(jié)點(diǎn)應(yīng)變見圖18。

根據(jù)該分析節(jié)點(diǎn),基坑開挖后Ⅲ區(qū)的水平向應(yīng)變?yōu)?0.001 36,豎直向應(yīng)變?yōu)?.001 15,可以看出,在Ⅲ區(qū)的水平向應(yīng)變比豎直向應(yīng)變略大,符合應(yīng)力路徑OB(小主應(yīng)力和大主應(yīng)力同時減小,大主應(yīng)力減小幅度小于小主應(yīng)力減小幅度)。

4 結(jié)論

通過對基坑開挖三個區(qū)域應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值模擬結(jié)果的分析,可以得到如下結(jié)論:

1)當(dāng)基坑開挖完成時,基坑周邊土體應(yīng)力路徑會發(fā)生改變,其中Ⅰ區(qū)的應(yīng)力路徑主要是水平向應(yīng)力減小,Ⅱ區(qū)的應(yīng)力路徑主要是豎直向應(yīng)力減小,Ⅲ區(qū)的應(yīng)力路徑水平和數(shù)值應(yīng)力都在減小。

2)基坑開挖后,由于Ⅰ區(qū)的水平向應(yīng)變?yōu)樨?fù),所以,基坑邊側(cè)土體會產(chǎn)生向基坑方向的水平位移,豎直方向應(yīng)變?yōu)檎?側(cè)邊土體會下沉;Ⅱ區(qū)的豎向應(yīng)變?yōu)樨?fù),基坑底部土體會向上隆起,水平向應(yīng)變?yōu)檎?土體會壓縮;Ⅲ區(qū)應(yīng)變變化不大,所受影響較小。

3)長江漫灘區(qū)土性較差,以及復(fù)雜地下水的共同作用,地鐵車站基坑施工需要嚴(yán)格控制變形,避免對周邊環(huán)境和構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響。在開挖時應(yīng)做好詳細(xì)的支護(hù)方案,防止基坑在開挖過程中出現(xiàn)側(cè)向的坍塌,同時還要注意基坑周邊土體的下沉,這會對周圍建筑物和構(gòu)筑物造成影響,還要防止基底的過高隆起,要全面做好基坑的安全防護(hù)工作。

4)通過對開挖土體應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律的分析,可以獲得更加貼近實(shí)際基坑工程狀況的結(jié)果。在實(shí)際基坑工程開挖過程中,根據(jù)工程具體情況和開挖土體應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律,計算出土體受開挖影響最大的位置,提前采取預(yù)防措施,可以使工程施工順利,避免基坑在施工過程中因變形過大超出安全值而造成安全事故和人員傷害。

5)根據(jù)開挖應(yīng)力路徑理論對地鐵基坑周圍土體的應(yīng)力-應(yīng)變進(jìn)行分析,從而可以考慮不同施工順序?qū)χ苓叚h(huán)境、支護(hù)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形影響,進(jìn)而提升了基坑安全可靠性。此結(jié)論應(yīng)用于基坑工程,能夠有效的控制基坑變形,保證基坑工程施工安全,對地下土體的力學(xué)性質(zhì)分析也至關(guān)重要。