堆载作用下地铁车站深基坑开挖模拟与实测数值分析

李险峰

(淮北职业技术学院 建筑工程系,安徽 淮北 235000)

0 引言

随着城市轨道交通建设的迅速发展,越来越多的地铁车站深基坑工程问题摆在人们面前。在深基坑施工过程中由于各种因素影响,基坑开挖土方不能及时外运,将土方堆放在基坑两侧的情况时有发生。相关研究表明,坑外堆载会对基坑的稳定性产生不利影响[1-2]。林刚等[3]以基坑开挖全过程为研究对象,设置了不平衡堆载的工况,采用PLAXIS软件进行了研究。李玉岐等[4]研究了坑外堆载的大小、施加时间和施加区域等因素对基坑稳定性的影响。吴琼等[5]采用三维有限元分析方法,分析了堆载与桩基距离对堆载效应的影响。马重等[6]采用理论分析的方法研究了侧向受荷桩的受力机理和挠曲微分方程,并与数值计算结果进行了互相验证。以上学者采用不同的方法对坑外堆载作用下基坑的稳定性进行了研究,对堆载的影响有了一定的认识,但这些方法对深基坑开挖涉及的支护结构的内力与变形、土与结构的相互作用等量化分析与处理尚欠具体明确。而本文采用的FLAC3D是国际通用的岩土工程专业分析软件,在处理大变形问题的分析方面具有独特的优势[7]。

本文以合肥市轨道交通5号线黄河路车站基坑为背景,考虑施工过程中由于雨雪等因素影响,基坑开挖土方不能及时外运,将土方堆放在基坑两侧的不利工况,采用FLAC3D模拟开挖过程,探索堆载的存在对桩体侧向变形、桩体应力以及支撑轴力的影响,并与现场监测数据进行对比分析,旨在对类似的基础工程设计和施工提供参考。

1 工程概况及地质条件

黄河路站为合肥市轨道交通5号线工程的第13个车站。车站主体结构总长158.0 m,标准段结构宽度21.9 m.车站地面南低北高,规划地面标高15.85～16.35 m.围护结构选用直径为1.0 m,间距为1.3 m的钻孔灌注桩排桩,支撑体系采用钢筋混凝土支撑和钢支撑。现场实测测点位置如图1所示。

图1 现场实测测点布置平面图Fig.1 Plan of field measurement points

根据黄河路站岩土工程勘察报告,车站土体参数如表1所示。

表1 土体参数Table 1 Parameters of soil

2 计算模型及工况设置

2.1 模型建立

根据基坑几何尺寸,拟定模型尺寸(X×Y×Z)为280.2 m×148.6 m×73.0 m,基坑最大模拟开挖深度为25 m.模型共划分为514 580个单元、546 256个节点,模型网格划分如图2所示。

图2 模型网格示意图Fig.2 Diagram of model grid

模型边界条件为:在模型Z=-36.0 m处施加竖向约束,在模型X=-60.8 m、219.4 m,Y=-60.8 m、87.8 m处施加水平约束,模型Z=37.0 m为自由面,不施加任何约束。

冠梁和排桩都采用实体单元进行模拟,钻孔灌注桩、冠梁的模型参数如表2所示。模型中支撑体系采用beam单元进行模拟,包括钢筋混凝土支撑和钢支撑。钢筋混凝土支撑、钢支撑的模型参数如表3所示。

表2 钻孔灌注桩、冠梁的模型参数Table 2 Parameters of models of bored pile and crown beam

表3 支撑参数Table 3 Parameters of support

2.2 开挖工况设置

将基坑开挖模拟分为有无堆载两种情况,无堆载时基坑开挖工况设置如表4所示。

表4 无堆载时基坑开挖工况设置Table 4 Working condition settings of foundation pit excavation without surcharge

考虑施工过程中由于雨雪等因素影响,基坑开挖土方不能及时外运,将有一半的土方堆放在基坑两侧宽度为40 m的范围,土体重度取γ=20 kN/m3.

如开挖5 m时,开挖土方长度取158.0 m,宽度取21.9 m,则可计算出堆载为:

随着基坑开挖深度的增加,基坑两侧堆载也在增加,经过换算,不同开挖深度下基坑两侧堆载及工况设置见表5.

表5 有堆载时基坑开挖工况设置Table 5 Working condition settings of foundation pit excavation with surcharge

3 堆载对基坑稳定性影响分析

3.1 桩体侧向位移

同一开挖深度下,有无堆载两种工况下桩体侧向位移对比如图3所示。

图3 桩体侧向位移对比Fig.3 Comparison of lateral displacement of piles

图3 (续)Fig.3 (Continue)

由图3可以看出,在相同的开挖深度下,堆载的存在使桩体侧向位移增大,且随着开挖深度的增加,桩体侧向位移增加的也越多。堆载对桩体的侧向位移影响与深度有关,对桩体中部的侧向位移影响较大,对两端影响较小。

开挖至-5 m,基坑两侧有堆载工况下桩体侧向位移最大值为6.6 mm,而相同开挖深度无堆载的工况下桩体侧向位移最大值为2.8 mm,同比增大了3.8 mm.

开挖至-10 m,基坑两侧有堆载工况下桩体侧向位移最大值为12.7 mm,而相同开挖深度无堆载的工况下桩体侧向位移最大值为6.4 mm,同比增大了6.3 mm.

开挖至-15 m,基坑两侧有堆载工况下桩体侧向位移最大值为24.9 mm,而相同开挖深度无堆载的工况下桩体侧向位移最大值为12.1 mm,同比增大了12.8 mm.

开挖至-20 m,基坑两侧有堆载工况下桩体侧向位移最大值为38.3 mm,而相同开挖深度无堆载的工况下桩体侧向位移最大值为19.6 mm,同比增大了18.7 mm.

开挖至-25 m,基坑两侧有堆载工况下桩体侧向位移最大值为44.1 mm,而在相同开挖深度无堆载的工况下桩体侧向位移最大值为23.3 mm,同比增大了20.8 mm.

3.2 桩体应力

在有无堆载两种工况下桩体拉、压应力最大值对比如表6所示。

表6 桩体应力对比Table 6 Comparison of pile stress

表6 (续)Table 6 (Continue)

由表6可知,基坑两侧的堆载使桩体的拉应力和压应力均出现较大的增长。最大增幅出现在开挖15 m时,相比无堆载工况,有堆载工况下桩体压应力最大值增幅达到了117.3%,桩体拉应力最大值增幅达到了119.2%.

3.3 支撑轴力

以开挖深度达到25 m时标准段支撑轴力最大值进行分析,在有无堆载两种工况下支撑轴力最大值对比如表7所示。

表7 支撑轴力对比Table 7 Comparison of supporting axial force

由表7可知,基坑两侧的堆载使各道支撑的轴力呈现出不同程度的增长。标准段第一道支撑为钢筋混凝土支撑,在支撑体系中发挥较大的支撑作用,其增长量相较于其余钢支撑要大得多。有堆载工况下标准段第2道钢支撑轴力最大值相比无堆载工况下增大了91.9%,在3道钢支撑中增幅最大。

4 模拟值与监测值对比

4.1 桩体侧向位移模拟值与监测值对比

选取开挖深度达到25 m时ZQT5测点桩体侧向位移监测值与数值模拟值进行对比,具体数据见表8,桩体侧向位移模拟值与监测值对比见图4.

表8 桩体侧向位移模拟值与监测值Table 8 Simulation value and monitoring value of lateral displacement of piles

由表8可知,有堆载现场监测的桩体侧向位移最大值为51.0 mm。无堆载模拟工况桩体最大侧向位移值为23.3 mm,与有堆载现场监测的桩体侧向位移最大值之间的误差为54.3%,而有堆载模拟工况桩体最大侧向位移值为44.1 mm,与现场监测的桩体侧向位移最大值之间的误差为13.5%.

由图4可知,由于基坑开挖现场施工时将部分土方堆放在基坑两侧,因此相较于无堆载工况,有堆载工况下桩体侧向位移模拟值与现场监测值更为接近。桩体侧向位移现场监测曲线整体发展规律与数值模拟计算结构基本一致,模拟数据呈现规律的拟合度较好,现场有堆载桩体最大侧向位移监测值与有堆载模拟工况桩体最大侧向位移值误差仅为13.5%.

图4 桩体侧向位移模拟值与监测值对比Fig.4 Comparison of simulation value and monitoring value of lateral displacement of piles

4.2 支撑轴力模拟值与监测值对比

现场施工时基坑两侧存在堆载,因此选取ZCL12测点钢支撑轴力监测值与有堆载工况下数值模拟值进行对比,如表9所示。

表9 钢支撑轴力监测值与模拟值Table 9 Monitoring value and simulation value of steel supporting axial force

由表9可知,ZCL12测点钢支撑轴力监测值与数值模拟值误差均在14%以内,且数值模拟结果中,第2道钢支撑轴力在3道钢支撑里是最大的,这与监测结果也是一致的,说明数值模拟结果是可靠的。

5 总结

1)在相同的开挖深度下,堆载的存在使桩体侧向位移增大,且随着开挖深度的增加,桩体侧向位移增加的也越多。堆载对桩体中部的侧向位移影响较大,对两端影响较小。

2)堆载的存在对桩体应力和支撑轴力均产生了较大的影响。开挖15 m时,相比无堆载工况,有堆载工况下桩体压应力最大值增幅达到了117.3%,桩体拉应力最大值增幅达到了119.2%。开挖深度达到25 m时,有堆载工况下标准段第2道钢支撑轴力最大值相比无堆载工况下增大了91.9%.

3)基坑围护结构的数值模拟结果与现场监测结果相应的分布规律和发展趋势一致。桩体最大侧向位移监测值与模拟值之间的误差为13.5%,钢支撑轴力监测值与数值模拟值误差均在14%以内,误差较小,说明数值模拟结果正确可靠,能较为全面地反映基坑的变形特性。

综上所述,坑外堆载对深基坑工程中桩体侧向位移、结构内力等有着较大影响,因此基坑支护设计应考虑可能出现的堆载工况,同时在施工时应注意及时将开挖的土方外运,减少坑外堆载情况的出现,从而保障施工安全。