錢(qián)葉琳，歐 強(qiáng)，高海云，王 潔，呂衛(wèi)柯，汪亦顯

(1.安徽路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 210029；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 合肥 230001)

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偏壓異型深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析

錢(qián)葉琳1, 2，歐 強(qiáng)2，高海云3，王 潔1，呂衛(wèi)柯1，汪亦顯2

(1.安徽路橋工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 210029；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)管理局，安徽 合肥 230001)

以合肥地鐵1號(hào)線、2號(hào)線換乘站大東門(mén)地鐵偏壓異型深基坑工程為背景，采用FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型模擬開(kāi)挖施工過(guò)程，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用，計(jì)算和對(duì)比分析偏壓異型深基坑地下連續(xù)墻的內(nèi)力和變形，得到其分布規(guī)律。結(jié)果表明：深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)異型點(diǎn)的主應(yīng)力比直臂部分的主應(yīng)力大，而且應(yīng)力集中現(xiàn)象也較為明顯，水平方向的變形比同等條件下直臂部分也要大，異型部分的受力和變形都是深基坑的最不利情況。

異型；深基坑；地連墻；內(nèi)力；變形；FLAC3D

在地鐵車(chē)站深基坑建設(shè)中，通常都采用地下連續(xù)墻支護(hù)來(lái)確保深基坑施工期間的安全和基坑周邊建筑物的穩(wěn)定。因此，對(duì)于地下連續(xù)墻的研究分析具有重要的價(jià)值[1-2]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)單片地連墻進(jìn)行了研究和分析[3-15]，得到了很多研究成果，為偏壓異型地連墻的研究提供了有益的參考。然而，異型地連墻與單片地連墻無(wú)論在結(jié)構(gòu)形式還是在受力特性上都存在很大的差別[16-20]。本文基于合肥市地鐵1號(hào)線、2號(hào)線換乘站大東門(mén)偏壓異型深大基坑工程。采用FLAC3D對(duì)合肥地鐵大東門(mén)偏壓異型深大基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形進(jìn)行數(shù)值模擬，據(jù)此分析基坑外土體的變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形等，為偏壓異型基坑開(kāi)挖和安全施工提供指導(dǎo)依據(jù)。

1　偏壓異型深基坑數(shù)值模擬分析

1.1工程概況

擬建大東門(mén)地鐵車(chē)站東北側(cè)有古井假日酒店(29層)、古井賽特商城(5層)，站東南側(cè)有省交通投資集團(tuán)公司(4～6層)。建筑物距離車(chē)站主體較近，賽特商城距離車(chē)站主體最近處僅為5m。施工過(guò)程中，若圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移或土體坍塌，會(huì)對(duì)已有建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，并且會(huì)引起基坑土體變形及地面沉降；同時(shí)建筑物對(duì)相鄰一側(cè)基坑側(cè)壁產(chǎn)生附加荷載，增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。根據(jù)工程施工方案，基坑采用逆作法施工。在不影響計(jì)算精度要求下，本基坑擬分為六步進(jìn)行模擬開(kāi)挖。

1.2模型建立

模型坐標(biāo)原點(diǎn)取在1號(hào)樁中心點(diǎn)，地表z=0，模型X軸方向(垂直1號(hào)線主體基坑軸線)為390 m，Y軸方向(平行1號(hào)線主體基坑軸線)300 m，Z軸方向(垂直向上)長(zhǎng)100 m，即模型尺寸390 m×300 m×100 m。土層、地下連續(xù)墻、頂樓板、中間板、底板均采用實(shí)體單元，實(shí)體單元采用四面體單元，離散后的單元數(shù)為297 495個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為51250個(gè)。離散后的計(jì)算模型如圖1所示。

1.3初始應(yīng)力場(chǎng)及邊界條件

假定巖體為均質(zhì)、連續(xù)的各項(xiàng)同性體，巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)如下：

σz=γ·H

(1)

(2)

式中：μ-泊松比；H-巖體至地表的距離，m；γ-上覆巖層容重，N/m；σx、σy、σz分別為X、Y、Z方向的自重應(yīng)力場(chǎng)，MPa；

此外，深基坑還受到圣大國(guó)際酒店100kPa、圣大國(guó)際裙樓30kPa、金利銀路酒店30kPa等建筑物的偏壓作用，模擬計(jì)算過(guò)程中建筑偏壓均按均布荷載作用到地表相應(yīng)位置。在充分考慮邊界效應(yīng)的情況下，模型四周及底面滾支承約束。

1.4 計(jì)算參數(shù)選取

基坑范圍內(nèi)主要土層為粉質(zhì)粘土：填土①層、雜填土①1層、粘土②層、粉質(zhì)粘土②1層、粉土②2層、粉細(xì)砂②3層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土②4層，對(duì)土體選取適當(dāng)合理的力學(xué)參數(shù)是保證計(jì)算可靠的重要條件。計(jì)算中土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，其基本力學(xué)參數(shù)如表1所示，其中土體彈性模量按經(jīng)驗(yàn)取壓縮模量的3倍，泊松比由土體側(cè)壓系數(shù)反算，本構(gòu)模型均采用線彈性模型。

表1　土層基本力學(xué)參數(shù)

2　模擬結(jié)果

2.1偏壓異型深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

圖2為各監(jiān)控點(diǎn)的大主應(yīng)力曲線圖，監(jiān)控點(diǎn)1和監(jiān)控點(diǎn)2是偏壓異型的典型，監(jiān)控點(diǎn)7和監(jiān)控點(diǎn)11是直臂的代表。在偏壓荷載作用下，隨著基坑的開(kāi)挖，各點(diǎn)的大主應(yīng)力都呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，在異型點(diǎn)處大主應(yīng)力增長(zhǎng)較快，各工況下的大主應(yīng)力均大于直臂部分的大主應(yīng)力，表現(xiàn)出較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，直臂部分大主應(yīng)力雖然也在增長(zhǎng)，但是增長(zhǎng)的速率較為緩慢。在工況6的監(jiān)控點(diǎn)1、2的大主應(yīng)力達(dá)到4.5mPa左右，而此時(shí)監(jiān)控點(diǎn)7、11的大主應(yīng)力卻只有1.5～1.8 MPa左右，增加了近200%，增幅較大。

圖3為各監(jiān)控點(diǎn)的主應(yīng)力差曲線圖，同樣可知異型點(diǎn)1、2的主應(yīng)力差較直臂監(jiān)控點(diǎn)7、11的主應(yīng)力差大，在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，主應(yīng)力差越大，意味著該點(diǎn)的受力狀況越復(fù)雜，對(duì)地下連續(xù)墻的異型點(diǎn)來(lái)說(shuō)，也就是應(yīng)力集中越明顯，是整個(gè)基坑的薄弱環(huán)節(jié)，在工況6的測(cè)點(diǎn)1、2的主應(yīng)力差為30 MPa左右，點(diǎn)7、11的主應(yīng)力差為10 MPa左右，增加了200%，增幅較大。

通過(guò)分析可知，地下連續(xù)墻交叉點(diǎn)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)接觸以及深淺基坑交界處均存在較大的主應(yīng)力，說(shuō)明這些地方存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議在主體結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，在維護(hù)結(jié)構(gòu)施作(即地下連續(xù)墻施工)的時(shí)候，在應(yīng)力集中部位(特別是異型處)可選用有效的連接或接觸措施，如選用半剛性節(jié)點(diǎn)，設(shè)置柔性層等，允許主體結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)的少量變形，以緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免地下連續(xù)墻遭受破壞。

2.2地下連續(xù)墻隨開(kāi)挖深度的水平變形

圖4所示為各工況各監(jiān)控點(diǎn)沿墻體埋深的水平位移變化規(guī)律曲線?；娱_(kāi)挖施工對(duì)周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生擾動(dòng)，使土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑樁體等產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力。隨著深度的加大，地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形不斷增大，墻體向基坑內(nèi)不斷發(fā)展變形，形態(tài)上呈凸肚狀。受周邊建筑附加偏壓環(huán)境的影響，凸肚略低于開(kāi)挖坑底標(biāo)高，并隨開(kāi)挖深度的加大，凸肚逐漸向下移動(dòng)。該現(xiàn)象在異型處表現(xiàn)的十分明顯，而在直臂部分則沒(méi)有這么突出。

2.3基坑開(kāi)挖對(duì)地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響分析

根據(jù)各工況模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)圖4所示的地下連續(xù)墻監(jiān)控點(diǎn)沿墻體埋深的水平位移進(jìn)行了數(shù)據(jù)監(jiān)控采集，圖5為各開(kāi)挖工況的剖面位移等值云圖。

由圖5(a)可知地下連續(xù)墻在偏壓作用下位移的基本規(guī)律：靠近偏壓側(cè)的地連墻各項(xiàng)位移均大于遠(yuǎn)離偏壓側(cè)的地連墻各項(xiàng)位移，而且在近偏壓的異型處出現(xiàn)了最大位移，且由異型點(diǎn)處大致呈橢圓弧狀向外發(fā)散，異型點(diǎn)是該基坑的薄弱環(huán)節(jié)；由圖5(b)分析，在開(kāi)挖到第2工況的時(shí)候，在幾個(gè)異型處都出現(xiàn)了較大的位移，且由該異型處向外發(fā)散位移逐漸減小。

由圖5可以看出，在基坑剛開(kāi)挖時(shí)，水平位移最大的土體出現(xiàn)在異型處，對(duì)于偏壓異型基坑來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有采取任何加固的輔助施工措施前，最危險(xiǎn)的就是偏壓異型處，因?yàn)橥恋目辜裟Σ亮爸ёo(hù)結(jié)構(gòu)可能滿足不了懸掛的要求。在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，異型地連墻周?chē)J(rèn)為己經(jīng)注漿加固，在開(kāi)挖的過(guò)程中，由圖5可看出水平最大位移仍然出現(xiàn)在異型處，可見(jiàn)在開(kāi)挖之前進(jìn)行注漿是必要的。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，我們可以看到，異型處的水平位移雖然在逐漸增加，但每一步開(kāi)挖完成后,發(fā)生最大水平位移的土體為基坑離地表處。這是由于支護(hù)結(jié)構(gòu)隨著基坑開(kāi)挖的不斷變形，給土體水平變形提供了可能。

3　結(jié)論

1)基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生擾動(dòng)，使土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及基坑樁體等產(chǎn)生附加變形和內(nèi)力。隨著深度的加大，地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形不斷增大，墻體向基坑內(nèi)不斷發(fā)展變形，形態(tài)上呈凸肚狀。受周邊建筑附加偏壓環(huán)境的影響，凸肚略低于開(kāi)挖坑底標(biāo)高，并隨開(kāi)挖深度的加大，凸肚逐漸向下移動(dòng)。

2)基坑開(kāi)挖對(duì)地連墻受力狀態(tài)影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)在橫向荷載作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生橫向位移或撓曲，并與地連墻、主體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形。異型處的主應(yīng)力易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，異型處的大主應(yīng)力可達(dá)直臂部分主應(yīng)力的3倍，導(dǎo)致地連墻局部出現(xiàn)塑性區(qū)，降低地連墻的抗力。

3)偏壓基坑開(kāi)挖應(yīng)采用主動(dòng)加固方式，即“先加固、后開(kāi)挖”的方式加固地層及建(構(gòu))筑物。

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(責(zé)任編輯王利君)

Analysis of internal force and deformation for unsymmetrically loading and irregular deep foundation pit

QIAN Yelin1,2， OU Qiang2， GAO Haiyun3，WANG Jie1，LV Weike1， WANG Yixian2

(1. Anhui Road & Bridge Group Co.,Ltd，Anhui Hefei 210029,China；2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Anhui Hefei 230009, China；3. Hefei key project construction administration，Anhui Hefei 230001，China)

This paper takes HeFei Metro Line1, Line2subway transfer station deep excavation engineering as the background, using FLAC3Dto establish the model, simulating the process of excavation, what’s more，the supporting systems of deep foundation pit are analyzed, considering the interaction between supporting structure and soil, calculating and analysing of the diaphragm wall internal forces and deformation, and by comparing the calculation results of various working conditions, the distribution law of the unsymmetrically loading and irregular diaphragm wall of internal force and deformation were obtained. The calculation and analysis results showed that the main stress of deep foundation pit supporting structure of irregular is bigger than the straight arm’s, and the stress concentration phenomenon is more obvious, the horizontal deformation is larger than the arm’s under the same conditions, the force and deformation for unsymmetrically loading and irregular is worst case in deep pit. The results of the study which is for future subway station deep foundation pit engineering design, construction provide the basis necessary reference.

irregular; deep foundation pit; diaphragm wall; internal force and deformation; FLAC3D

2016-02-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304057)；合肥市重點(diǎn)工程建設(shè)局科技支撐項(xiàng)目(2013CGAZ0771)；安徽省住房城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2013YF-27)；武漢市城建委科技計(jì)劃項(xiàng)目(201620)

錢(qián)葉琳(1980-)，男，安徽青陽(yáng)人，碩士，高級(jí)工程師，從事巖土及路基工程方面的研究。

1673-9469(2016)03-0013-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.03.003

TU47

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