黄土地区地铁车站基坑变形数值分析.pdf

:./.黄土地区地铁车站基坑变形数值分析收稿日期:基金项目:陕西省自然科学基金()陕西省重点研发计划()作者简介:杨海峰()男工程师从事基坑支护设计方面工作杨海峰 牛锦涛 商宁坤 吴 明(.信息产业部电子综合勘察研究院陕西 西安 .长安大学地质工程系陕西 西安)摘 要:通过某地铁车站深基坑工程实例数值仿真对黄土地区地铁深基坑施工过程中围护结构变形和地面沉降进行了研究 数值结果表明黄土地区围护结构最大变形位置位于开挖面以上基坑空间效应同样明显 对于由地面最大沉降量确定的影响分区不能照搬软土地区经验 由于黄土强度高最大地面沉降量小应根据地面斜率大小特定分区关键词:基坑围护结构侧向变形地面沉降数值计算中图分类号:.文献标识码:文章编号:()引言目前全国各大城市地铁建设紧锣密鼓地铁建设中车站基坑往往比较深而且基坑开挖多处于城市繁华中心 那么对于深基坑开挖所引起的围护结构和地面变形研究非常重要其对于基坑安全施工节约工程造价有着指导意义 以文献 为代表的大量研究主要是软土地区的基坑成果不完全适用于黄土地区 为此许多研究者 对黄土地区的基坑进行监测资料规律性总结和施工过程数值分析 尽管如此黄土地区的研究成果相对于软土地区少之又少 近年来随着计算机技术发展数值方法研究日新月异研究人员和工程师 利用数值手段研究基坑开挖过程力学行为和变形规律对于基坑研究非常有帮助 因此本文拟从数值计算角度研究黄土地区某基坑施工引起的围护结构和地面变形以期对于黄土地区基坑研究提供一定借鉴 工程概况和场地地质条件.工程概况西安地铁某地铁车站主体基坑平面尺寸.基坑深度约.局部深度.如图 所示基坑围护采用 旋挖桩设三道内支撑 桩间采用挂钢筋网喷射混凝土挡土支护桩嵌固深度为 和 第一道支撑为宽 高 (路面铺盖下)和宽 高 钢筋混凝土撑水平间距约 第二、三道支撑为 钢支撑预加轴力 和 水平间距约 支撑轴力约 腰梁采用 组合钢围檩.场地水文和地质条件如图 所示土层依次为填土类 新黄土 新黄土 层古土壤 老黄土粉质黏土中砂冲积黏土 潜水赋存于古土壤、黄土和粉质黏土及其砂夹层中 主要含水层为粉质黏土层中砂夹层该层透水性好赋水性强 地下水位埋深约图 1基坑断面桩顶挡墙1 500800 C40 混凝土冠梁兼压顶梁宽 1 200高 800迎车面防撞挡墙 1路面150 厚 C20 现浇钢筋混凝土面板400 厚预制钢筋混凝土空心板密排宽 1 200高 1 200宽 1 200高 800第二道钢支撑 600，t=1418 630第三道钢支撑 600，t=14245C 1 0001 400 旋挖桩 1 2006 000 旋挖桩B 型桩1 0001 00035 000单位：mm22 4006 000降水井4 4506 2005 7501 200550图 2计算模型图80142317ZYX单位：m 基坑周边除距离基坑 的 地裂缝外无不良地质灾害 各层土工参数如表 所示表 岩土参数地层天然重度/()直剪试验()凝聚力/摩擦角/()压缩系数./弹性模量/泊松比 杂填土(据经验取).新黄土.新黄土.古土壤.老黄土.(.).粉质黏土.(.).数值仿真.计算模型数值模型如图 所示本次计算地层尺寸长 宽 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 .高(厚)为 基坑围护结构如图 所示计算尺寸为长 宽 高(厚)为 数值模型 单元 个节点 个单元 个节点 个 单元 个计算所有工况费时 基坑围护采用直径 的钻孔灌注桩桩中心距.基坑工程中这样的桩实际上可以简化成连续的墙简化原理如图 和式()所示计算后墙体厚度约为.建立的基坑围护模型如图 所示 ()图 3基坑围护模型图23ZY围护结构26立柱197X图 4刚度折减原理hDt单位：m基坑采用三道支撑第一道支撑为混凝土支撑路面盖板下对撑截面.()上覆 空心混凝土板及 混凝土路面措施 挖土工作面对撑截面.()吊车行走范围连系梁截面为.()之外截面为.()压顶冠梁截面为.()混凝土角撑截面为.()第二、三道支撑采用 钢支撑壁厚分别为 和 腰梁和连系梁均为 工字钢 立柱采用旋挖桩直径.中心距.计算过程采用弹性力学板壳单元模拟铺盖板梁单元模拟对撑、腰梁、连系梁和立柱计算空间模型如图 所示图 5内支撑立柱模型图13.004 26.00739.011 52.015ZYX路面铺盖第一层支撑第三层钢支撑第二层钢支撑.计算参数和工况基坑围护构件中立柱深度最大达到了 持力层基本为粉质黏土因此计算过程主要考虑 层土体数值计算时土体为弹塑性材料服从摩尔库仑破坏准则计算参数如表 所示 后村车站基坑施工工序较为复杂有 步之多 数值计算工作量非常大 因此计算过程简化为主要的 个步骤如表 所示 仿真结果分析.围护结构变形分析图 和图 分别是施加工况 工况 时工况下围护结构的侧向变形曲线 从图 和图 中可以看到工况 时(开挖至约 )围护结构的最大侧向变形发生在坑底以下约.的地方 这是由于施加了地面 超载的缘故荷载传递到较深土体使得围护结构最大侧向变形发生在坑底以下.位置 当施加工况 时(开挖至约.)围护结构的最大变形位置基本没有发生改变但是量值有所增加 这说明超载引起的围护结构最大侧向变形深度基本为坑底下.左右 进一步可以得到启示:基坑施工过程尽量不要于侧壁周边堆钢筋、水泥和砖石等材料以免引起围护结构变形过大 随着施加工况 和工况(分别开挖至.和.)围护结构变形进一步增大最大变形位置发生转变到坑底以上 随着基坑开挖深度增加围护结构最大侧向变形位置有所下移但是始终位于基坑开挖面以上 该现象于一般软土基坑中最大围护结构变形发生于坑底附近甚至坑底以下的情况不同 这也反映出黄土强度高于软土的特性 从图 和图 中还可以看出端头井较标准段围护结构变形大该现象并不违背基坑的“空间效应”原理 正是标准段采用了对撑其刚度强于端头井的斜撑而引起的表 计算工况计算工况模拟内容备注地应力平衡施工围护结构、立柱和路面铺盖开挖表面部分填土开挖.加第一道混凝土支撑并开挖至第二道支撑位置开挖至.加第二道钢支撑并开挖基坑至第三道支撑位置开挖至.加第三道钢支撑并开挖至坑底开挖至.图 6围护结构变形曲线（标准段）图 7围护结构变形曲线（端头井）0-5-10-15-20-25深度/m510侧向变形/mm工况 3；工况 4；工况 5；工况 60510152025深度/m02468101214侧向变形/mm工况 3；工况 4；工况 5；工况 6；测斜管数据 图 为开挖至坑底时围护结构沿着车站横向的变形云图图 8Y 向变形（变形放大 1 倍，车站横向）DISPLACEMENTT2，m6.5%8.4%8.9%5.3%12.5%7.8%10.3%7.4%8.0%9.2%6.8%8.9%+1.09e-002+9.14e-003+7.38e-003+5.61e-003+3.65e-003+2.09e-003+3.27e-004-1.44e-003-3.20e-003-4.96e-003-6.72e-003-8.49e-003-1.02e-002从图 中可以看出围护结构在坑底上方附近变形较大并且变形呈现三维效应说明基坑的“空间效应”普遍存在 从该现象可以看出基坑设计时可以把对撑加强而边、角支撑可相对弱些便于节省材料图 为围护结构和土体侧向变形对比曲线图中反第 卷 第 期 年 月 山西建筑 映随着基坑开挖深度增加围护结构和土体之间存在变形不一致的现象即脱空现象 这种现象在连续墙作为围护结构的基坑工程中有实测资料证实但是采用围护桩的基坑中实测资料中鲜有所闻 本文计算为了简便根据刚度相等原理把围护桩简化为连续墙才会有此现象图 9围护结构和土体侧向变形对比曲线（标准段）0-5-10-15-20-25深度/m4812侧向变形/mm工况 3工况 4工况 5工况 6工况 3工况 4工况 5工况 6土体变形围护结构变形.地面沉降分析图 是地面沉降曲线从图中可以看到坑后地面沉降呈抛物线形态 其表达式可以近似用三段直线来表示图 10地面沉降曲线0-4-8-12-16-20地面沉降/mm0102030405060距基坑侧壁长度/m工况 3；工况 4；工况 5；工况 6；监测；数据基坑侧壁主要影响区次要影响区未影响区域图 中最大沉降量发生在距离基坑侧壁 的位置约为基坑开挖深度的.倍大于软土地区的.倍开挖深度(见图)由于黄土强度普遍高于软土该基坑最大沉降量约为.(见图)因此其影响分区不能像图 那样划分 本文算例中基坑侧壁到最大沉降量处水平距离为 小于基坑开挖深度.该区域斜率较大可以定义为主要影响区 而最大沉降量至未变形区域约为 大于基坑开挖深度那么该区域可以定义为次要影响区域 其余为未影响区域沉降分区划分如图 所示图 11地表沉降形态0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0v/vm0.5 1.02.03.04.0d/He主要影响区次要影响区.监测资料与数值结果对比分析图 为该基坑局部围护结构测斜管和地面沉降点平面布置图其中代表性的监测结果分析绘制于图 和图 中 图 和图 测斜监测数据较数值计算结果小少许总体趋势规律较为相符反映出数值结果能较好的模拟基坑施工过程力学效应对基坑周边土体的影响图 12某测点地面沉降监测曲线1050-5-10-15-20-25-30地面沉降/mm-05-24-06-21-07-26-08-23-09-20-10-18-11-22日期/d图 13基坑监测点位布置示意图北XCX11 XCX12XCX13XCX14XCX15DCX15DCX14DCX13DCX12DD9-2；DD9-1；DD10-2；DD10-1；DD11-2；DD11-2；DD12-2；DD12-1；DD13-2；DD13-1图例：排桩侧向变形测点（测斜测点）；沉降测点。结论通过黄土地层盖挖顺作基坑实例的数值分析分析了黄土基坑坑后的变形特性得到了如下结论:)由于黄土强度普遍高于软土导致黄土地区围护结构最大变形发生于坑底以上)黄土地区同样空间效应明显建议可以充分利用加强对撑设计边、角支撑可以适当弱化以便于节省材料)盖挖顺作基坑地面沉降类似于抛物线形可以分为 个变形区域其中主要变形区域距离基坑侧壁为.基坑开挖深度次要变形区距离基坑侧壁.基坑开挖深度完全不同于软土地区对于黄土地区地面分区建议影响分区不要照搬软土地区经验应根据斜率要求具体划分参考文献:刘国彬王卫东.基坑工程手册.北京:中国建筑工业出版社.丁智张霄梁发云等.软土基坑开挖对邻近既有隧道影响研究及展望.中国公路学报():.陈超.黄土地区基坑开挖对地表影响范围研究.山西建筑():.吴意谦朱彦鹏.兰州市湿陷性黄土地区地铁车站深基坑变形规律监测与数值模拟研究.岩土工程学报(增刊):.赵晓峰.黄土基坑围护结构上的土压力.勘察科学技术():.梅 源胡长明王雪艳等.西安地区湿陷性黄土地铁车站深基坑开挖引起的地表及基坑支护桩变形特性.中国铁道科学():.代涛颜升曾琪.深基坑开挖对邻近既有住宅楼的影响分析.山西建筑():.(下转第 页)第 卷 第 期 年 月 杨海峰等:黄土地区地铁车站基坑变形数值分析过程相应的在赋矿角砾岩筒内矿化程度也是十分不均匀的在空间特征上石英 硫化物阶段期间成矿流体在深部的活动较为强烈造成此结果的原因可能是因为隐爆作用在深部发生时岩浆热液供给壁浅部更为充足当成矿流体上移聚集在浅部再次引发了隐爆作用时因为岩浆的冷却使得移到上部的成矿流体失去了充足的岩浆热液的供应致使浅部成矿流体的活动便相对有所减弱了 结合角砾岩筒的形成机制考虑在最早的隐爆发生时岩浆热液的供应较为充足而且在最初时流体可以活动的空间有限这样更使得岩浆的活动更为剧烈随着流体向上移动成矿流体得不到岩浆提供的流体与热源故流体越向上其活动也越弱参考文献:张建.山东沂沭断裂谷系七宝山金铜矿床地质特征.地质与勘探():.周炳煌.山东七宝山隐爆角砾岩简特征与成矿.地质与勘探():.王郁.山东七宝山金矿床地质特征及成因探讨.地质论评():.陈常富.山东五莲七宝山式金矿:一个与火山机构岩浆演化有关的金铜矿床.地质科技情报():.张连营程敏清.山东五莲七宝山金铜矿床地球化学特征及成因分析.地质找矿论丛():.():.:(上接第 页)胡 斌郭利娜李方成等.武汉地铁名都站深基坑围护结构水平变形分析与仿真模拟研究.工程勘察():.王灿凌道盛王恒宇.软土结构性对基坑开挖及邻近地铁隧道的影响.浙江大学学报(工学版)():.徐 凌陈格际刘帅.基于 ()的深基坑开挖与支护数值模拟应用.沈阳工业大学学报():.郑杰明谢玖琪杨平等.深基坑开挖支护结构水平变形对地表沉降影响的数值模拟.现代隧道技术():.(.):.:第 卷 第 期 年 月 山西建筑