某深基坑工程基底变形规律分析

李兆瑞, 王杰

(安徽建筑大学 土木工程学院, 安徽 合肥, 230022)

某深基坑工程基底变形规律分析

李兆瑞, 王杰

(安徽建筑大学 土木工程学院, 安徽 合肥, 230022)

以合肥地铁一号线玉兰大道站基坑工程为研究对象, 利用MIDAS/GTS软件建立连续的二维有限元模型, 对基坑开挖过程中基底变形进行模拟。通过改变基坑开挖宽度及围护结构嵌入深度, 讨论了不同参数对基底隆起变形的影响。研究结果表明: 在一定范围内, 基底隆起位移随开挖宽度的减小, 逐渐从基坑两边向中间移动并叠加; 当桩体嵌入深度不满足稳定性要求时, 围护桩嵌入深度对基底隆起有较强的抑制作用, 当桩体嵌入深度满足基坑开挖的稳定性要求时, 这种作用可忽略不计。

深基坑; 有限元; 基底隆起; 塑性变形

目前, 很多学者在基坑变形的变化规律、影响因素以及优化设计等方面进行了大量研究并取得了一些成果。徐彪等[1]对深基坑坑底隆起的问题进行了探讨, 介绍了基底回弹隆起的原因、计算和监测等问题; 郑刚等[2]对软土地区深基坑坑底隆起变形问题进行了研究; 楼晓明等[3]分析了深基坑地基的回弹应力与回弹变形, 得到了回弹模量的变化规律; 王宁伟等[4]对深基坑土体水平位移与坑底隆起进行了研究; 占学钊[5]对有关基坑抗隆起稳定性验算的内容进行了系统地梳理; 孔德森等[6]对各向异性软土深基坑坑底抗隆起稳定性进行了分析。

本文结合国内外对基坑支护结构稳定性计算理论的研究, 以合肥地铁一号线玉兰大道站基坑工程为实例, 利用MIDAS/GTS软件建立连续的二维有限元模型, 分析基坑开挖宽度及围护结构嵌入深度对基底隆起的影响。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

地铁换乘玉兰大道站位于长江西路与玉兰大道交叉口西侧, 长江西路高架桥南侧, 沿长江西路东西向布置。主体标准段为地下两层单柱双跨12.0 m岛式站台车站, 钢筋混凝土框架结构。车站两端区间为盾构法施工, 车站东端设盾构始发接收井, 西端设盾构调头井。车站采用明挖顺作法施工, 标准段宽度为20.7 m, 车站覆土厚度为2.57～3.00 m, 底板埋深15.94～16.36 m; 东西端均设端头井, 端头井宽度为24.9 m, 小里程(西端)端头井最小覆土厚度2.64 m, 底板埋深16.87～17.40 m; 大里程(东端)端头井最小覆土厚度2.45 m, 底板埋深16.68～17.67 m。车站主体部分围护结构采用Φ800@1000钻孔灌注桩结合钢支撑的形式, 其中围护桩的嵌入深度为21.5 m, 桩顶设置的混凝土冠梁的尺寸为b × h = 1.0 m ×0.8 m, 桩间土采用C10混凝土挂网喷射, 钢支撑采用直径为609 mm, 壁厚为14 mm的钢管。

车站北侧毗邻长江西路高架桥, 主体基坑围护结构距离高架桥桩基8.82～11.98 m(净距), 南侧为安徽名人广场, 广场东北角(车站东南角)有一座千秋江淮柱雕塑, 主体基坑围护结构距离雕塑基础最小25.3 m(净距), 场地环境较好。

1.2 地质条件

本车站地形稍有起伏, 为二级阶地貌, 地面高程41.9～44.5 m。相对高差0～3 m。车站沿长江西路布置, 有城市主干道路长江西路, 车流及人流量大。测区所在区域地质构造属于扬子准地台江淮台隆所属的合肥断陷盆地, 区域上位于华北地台的南端, 燕山期活动强烈, 形成平缓开阔的合肥断陷盆地, 本区断裂构造主要有近东西向、北西向、北东向3组。车站范围内上覆第四系人工填筑黏土, 下伏基岩为白垩系上统张桥组(K2z)泥质砂岩, 第四系覆盖层总厚度一般为7.40～15.90 m, 岩层总体呈单斜状, 地质构造简单。具体各岩土层的主要物理及力学指标见表1, 材料的物理力学参数见表2。

表1 土层物理力学参数

表2 材料物理力学参数

2 数值模拟

2.1 建立有限元模型

根据工程的实践经验及以往的有限元分析计算方法,本文取基坑开挖宽度的6倍、开挖深度的4倍作为深基坑开挖的影响范围[7]。实际基坑开挖宽度为20.5 m, 开挖深度为16.5 m, 本文取模型宽度120 m, 深度64 m。模型中土体按平面应变单元进行分析, 采用Mohr-coulomb模型; 围护结构和支撑按梁单元进行分析, 采用弹性模型。边界条件设置为底部完全约束, 顶部自由, 左右边界水平约束[8]。有限元计算模型如图1所示。

图1 深基坑开挖模型

2.2 深基坑开挖施工工况

模型中模拟开挖的施工顺序为: 工况1, 开挖第1层至设计标高的-1.0 m处; 工况2, 浇筑混凝土冠梁, 同时在冠梁顶部安装第1道混凝土支撑, 开挖第2层至设计标高的-7.0 m处; 工况3, 在位于开挖面以上0.5 m处安装第2道钢支撑, 开挖第3层至设计标高的-12.0 m处; 工况4, 在位于开挖面以上0.5 m处安装第3道钢支撑, 开挖第4层至设计标高的-16.5 m处, 此时为基坑开挖的最后1层。

本文模型中的不同开挖步骤是利用MIDAS/GTS软件中的“激活”与“钝化”功能来实现的。首先建立好模型中所需的单元, 然后利用“激活”与“钝化”功能把各个单元分布到各个开挖阶段之中, 来模拟实际施工中的加撑与拆除的施工过程。

2.3 数值模拟结果分析

基坑开挖过程中所产生的坑底隆起, 主要包括上层土体卸载导致下层土体应力释放发生的弹性回弹以及基坑周围土体对坑底土体的压力作用而产生的塑性变形[9]。前者指的是弹性隆起, 后者指的是塑性隆起[10]。本文所建模型的基底隆起变形如图2所示。开挖第1层土体时, 基底发生隆起现象, 此时开挖深度较小, 土体产生的弹性回弹力与隆起变形量小。开挖第2层土体时, 基底隆起量持续增加, 增量明显大于第1层, 这是由于开挖深度加大导致了坑底土体回弹力增加, 此时围护结构对基底隆起的限制作用并不明显。开挖第3层土体时, 基底隆起持续增加, 但增加量明显减小, 说明围护结构开始对坑底隆起发挥限制作用, 抑制了一部分的坑底隆起量。开挖第4层土体至基坑底部时,基底隆起增量有明显增加的趋势, 说明随着开挖深度的增加, 坑底隆起出现了塑性隆起, 虽然围护结构此时对基底隆起的限制作用也在增强, 但基坑两侧土体对坑底土体所产生塑性隆起量依然高于之前的弹性隆起量。

图2 基底隆起变形

3 深基坑基底变形的影响参数

3.1 基坑开挖宽度

图3 各工况下, 不同开挖宽度(W)的坑底隆起位移最大值

在地铁1号线玉兰大道站深基坑开挖的工程实例中, 基坑开挖宽度标准段为20.7 m, 建模中取了20.5 m。在讨论基坑开挖宽度影响时, 分别在此基础上将开挖宽度减少2 m、增加2 m、增加4 m, 即开挖宽度分别取18.5、22.5和24.5 m。在基本假定和参数保持不变的情况下, 得到不同开挖宽度下基底隆起的位移如图3所示。

由图3(a)、(b)可知, 随着开挖宽度的减小, 坑底最大隆起量呈现增大趋势, 坑底中间与两边隆起量之差以及隆起的变化率均有增大趋势。图3(c)与图3(a)、(b)相比, 坑底隆起量的最大值仍然变化不大, 中间部分的隆起量呈直线分布, 说明距坑底中心一定范围内的隆起量趋于稳定。坑底隆起从两边到中间经历剧烈的增加后, 在基坑中间部位趋于稳定。图3(d)显示坑底隆起的最大值较前面几种情况有一定的减小, 隆起的最大值并没有出现在基坑底部中心处, 而是出现在距离坑底中心一定距离处, 而坑底中心的隆起量有明显地减小。

图4为相同工况下对比不同开挖宽度坑底隆起变形规律。由图4可知, 随开挖宽度的减小, 坑底中心隆起呈增加趋势, 但在一定宽度范围内, 其隆起量又保持一定的稳定性。总体呈现的是一种坑底隆起的最大值随着开挖宽度的减小, 逐渐从两边向中间移动并叠加的现象。说明坑底的隆起主要受基坑两侧土体的影响, 宽度的大小决定了两侧土体影响的叠加情况。因此对于狭窄型基坑, 由于两侧土体影响的叠加, 更应该注意坑底隆起的防治。

图4 不同开挖宽度(W)下的坑底隆起最大值

3.2 围护结构嵌入深度

在地铁1号线玉兰大道站深基坑开挖的工程实例中, 基坑围护桩嵌入深度为21.5 m。在讨论基坑围护桩嵌入深度对深基坑开挖变形的影响时, 分别在此基础上将嵌入深度减少1 m、增加1 m、增加2 m,即围护桩嵌入深度分别取20.5、22.5和23.5 m。在基本假定和参数选取保持不变时, 得到不同嵌入深度下基底隆起位移如图5所示。

图5 各工况下, 不同围护桩嵌入深度(D)的基底隆起位移最大值

由图5(a)、(b)可知, 随着桩体嵌入深度的增加坑底隆起量有减小趋势, 说明桩体嵌入深度的增加对坑底隆起有抑制作用。由图5(c)可知, 坑底隆起最大值约为22 mm, 较前者有一定的减小, 与桩体嵌入深度为21.5 m相比, 减少量十分有限, 说明此时桩体的嵌入深度对基底隆起变形影响有限。图5(d)显示坑底隆起的最大值仍然约为22 mm, 且变化曲线与图5(c)十分吻合, 此时可以认为桩体嵌入深度的增加对坑底隆起基本没有影响。

图6为相同工况下不同围护桩嵌入深度的基底隆起位移最大值。由图6可知, 当桩体嵌入深度由21.5 m减小为20.5 m时, 坑底隆起量有着一定的增加, 但当桩体嵌入深度由21.5 m增加到22.5和23.5 m时, 坑底隆起量只有微小减少。说明桩体嵌入深度对坑底隆起有着一定的抑制的作用, 但是当其满足基坑开挖的稳定性要求时, 这种作用可以忽略不计。

图6 不同桩体嵌入深度(D)的基底隆起最大值

4 结论

本文以合肥地铁1号线玉兰大道站基坑工程为依托, 通过建模研究基坑开挖宽度、围护桩嵌入深度等参数对基坑开挖变形的影响, 得到以下结论。

(1) 深基坑坑底中心隆起量随着开挖宽度的减小不断增加, 但在一定宽度范围内, 隆起量又保持一定的稳定性, 总体呈现出一种坑底隆起最大值随着开挖宽度的减小, 逐渐从两边向中间移动并叠加的现象。

(2) 围护结构嵌入深度影响深基坑基底隆起量, 当围护桩嵌入深度不满足稳定性要求时, 桩体嵌入深度对坑底隆起有较强的抑制作用。但是, 当桩体嵌入深度满足基坑开挖的稳定性要求时, 这种作用可以忽略不计。如果此时基坑变形仍过大, 应从其他方面找出原因, 如果仍然盲目地增加桩体嵌入深度,不仅不能有效地控制基坑开挖变形, 还会造成资源浪费, 增加成本。

[1] 徐彪, 刘佳. 对深基坑坑底隆起问题的探讨[J]. 广西工学院学报, 2004, 15(1): 66–68.

[2] 郑刚, 焦莹, 李竹. 软土地区深基坑工程存在的变形与稳定问题及其控制[J]. 施工技术, 2011, 40(339): 10–15.

[3] 楼晓明, 李德宁, 刘建航. 深基坑坑底地基的回弹应力与回弹变形[J]. 土木工程学报, 2012, 45(4): 134–138.

[4] 王宁伟, 韩旭, 王心哲. 深基坑土体水平位移与坑底隆起的研究[J]. 土工基础, 2014, 27(6): 9–12.

[5] 占学钊. 深基坑坑底土体抗隆起稳定性的验算方法辨析[J]. 地下工程与隧道, 2011, 12(3): 1–4.

[6] 孔德森, 门燕青, 王丽华, 等. 各向异性软土深基坑坑底抗隆起稳定性分析[J]. 中南大学学报, 2012, 43(11): 4 472–4 476.

[7] 龚晓南. 关于基坑工程的几点思考[J]. 土木工程学报, 2005, 38(9): 99–102.

[8] 曹力桥, 郑刚. 坑内降水对软土地区深基坑坑底隆起影响有限元分析[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(10): 332–337.

[9] 杜涛. 地铁窄长深基坑的变形规律及稳定性分析[D]. 北京: 北京交通大学, 2012.

[10] 王阳. 武汉地区软土地基深基坑分步开挖下的变形和控制研究[D]. 武汉: 武汉科技大学, 2013.

(责任编校: 江河)

The analyses about deformation law of some deep foundation pit engineering

Li Zhaorui, Wang Jie
(Civil Engineering School, Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China)

Taking the foundation pit engineering in Yulan Avenue of Hefei metro line 1 as the research object, using the MIDAS/GTS software to build a continuous two-dimensional finite element model, the deformation digging of foundation pit is simulated. By changing the width and depth of exterior protected construction of foundation pit, the effect of different parameters on the uplift deformation of basement is discussed. Research results show that in a certain range, the uplift displacement of basement would gradually move and overlap from both sides to the middle with the decreasing of excavation width; when it does not meet stability requirements, the insert depth of exterior protected construction has a strong inhibitory effect on the uplift deformation of basement, when it meets the stability requirements, this effect is negligible.

deep foundation pit; finite element; basement uplift; plastic deformation

TU 473

: A

1672–6146(2017)03–0074–05

10.3969/j.issn.1672–6146.2017.03.016

李兆瑞, 1527678223@qq.com。

: 2016–12–21