徐 江 龔維明 穆保崗 劉博韜 張 琦 戴國(guó)亮

(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

軟土區(qū)某地鐵深基坑施工過(guò)程數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

徐 江 龔維明 穆保崗 劉博韜 張 琦 戴國(guó)亮

(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

為研究軟土區(qū)地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊土體位移特性,運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)軟土區(qū)某地鐵深基坑施工過(guò)程進(jìn)行建模分析和安全監(jiān)測(cè),并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析．結(jié)果表明:采用摩爾庫(kù)倫模型模擬基坑施工過(guò)程得到的地連墻水平位移結(jié)果準(zhǔn)確,墻體最大水平位移的平均計(jì)算誤差為實(shí)測(cè)值的15%,周邊土體沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相比偏小;開(kāi)挖最后一層土體且開(kāi)挖面附近無(wú)支撐作用時(shí),墻體水平變形明顯增大,長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面及端部斷面變形增量分別為9.1和10.5 mm,安全監(jiān)測(cè)應(yīng)以開(kāi)挖面附近地連墻水平位移變化速率為控制指標(biāo);狹長(zhǎng)型深基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面及端部斷面地連墻變形差異較大,應(yīng)針對(duì)不同位置分別制定變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值;支撐軸力在開(kāi)挖下一層土體時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大突變,設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮該突變對(duì)支撐安全儲(chǔ)備的影響,監(jiān)測(cè)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注突變前后支撐軸力的變化．

軟土區(qū)地鐵深基坑;有限元分析;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè);圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

目前,我國(guó)存在大量的在建地鐵或擬建地鐵項(xiàng)目,隨之而來(lái)的是地鐵車站深基坑工程,基坑的深度和規(guī)模逐漸向超深、超大的方向發(fā)展．由于城市建筑物密集,大多數(shù)基坑不具備放坡開(kāi)挖的條件,因此深基坑在開(kāi)挖過(guò)程中的安全問(wèn)題始終是巖土工程領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題．受地質(zhì)歷史時(shí)期的海侵和海退影響,沿海地區(qū)往往廣泛分布有深厚的海陸交互相沉積軟黏土．該類軟黏土抗剪強(qiáng)度低、承載力低、靈敏度大、含有較多貝殼及腐植物、孔隙比大、極易被擾動(dòng),且被擾動(dòng)后土體性質(zhì)急劇降低難以恢復(fù),易產(chǎn)生觸變、流變,容易引起地基變形和失穩(wěn),因此,這類地質(zhì)條件下的深基坑工程往往面臨著更大的挑戰(zhàn)．文獻(xiàn)[1-8]針對(duì)軟土地區(qū)多個(gè)深基坑的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了研究和總結(jié),分析了軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性及周邊地表變形性狀．王源等[9]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究了南京長(zhǎng)江隧道浦口深基坑開(kāi)挖時(shí)土體沉降與水平位移、坑底隆起、地下水位、支護(hù)樁內(nèi)力、支撐軸力和水土壓力的變化規(guī)律．馮虎等[10]建立了上海地區(qū)超深基坑工程數(shù)據(jù)庫(kù),發(fā)現(xiàn)軟土層厚度與基坑變形有著密切的關(guān)系,對(duì)于軟弱土層的厚度不大于50%H(H為基坑圍護(hù)墻深度)的基坑,其最大變形不超過(guò)0.250%;對(duì)于軟土層厚度大于50%H的基坑,其平均最大變形達(dá)到0.303%．為了進(jìn)一步研究軟土區(qū)地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性,本文以佛山市某地鐵深基坑工程項(xiàng)目為依托,運(yùn)用ABAQUS軟件對(duì)基坑開(kāi)挖—加支撐過(guò)程進(jìn)行了全工況模擬．針對(duì)分析所得的危險(xiǎn)區(qū)域制定了具有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)方案,并結(jié)合后期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合對(duì)比和分析,為軟土區(qū)深基坑工程分析及設(shè)計(jì)提供了參考．

1 工程概況

1.1 基坑

車站為佛山市城市軌道交通二號(hào)線工程一期工程中間站,車站基坑長(zhǎng)度為217.0 m,基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.2 m,基坑兩端寬度為27.8 m,開(kāi)挖深度為16.8 m．車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式,地連墻厚800 mm,共設(shè)4層支撐:第1層采用C30鋼筋混凝土米字形支撐,標(biāo)準(zhǔn)段支撐截面尺寸為800 mm×1 000 mm,車站兩端擴(kuò)大區(qū)域采用斜撐,截面尺寸為700 mm×1 000 mm;第2層標(biāo)準(zhǔn)段采用φ800 mm×16 mm鋼支撐,車站兩端為混凝土斜撐,截面尺寸為700 mm×1 000 mm;第3,4層標(biāo)準(zhǔn)段采用雙拼φ609 mm×16 mm鋼支撐,兩端為混凝土斜撐,截面尺寸分別為1 000 mm×1 000 mm 和700 mm×1 000 mm．基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其余各層支撐布設(shè)位置與第1層基本一致(見(jiàn)圖2)．基底及基底以上存在較大厚度的淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂,為保證地下連續(xù)墻成槽安全,在地連墻兩側(cè)設(shè)置了攪拌樁．基坑周邊環(huán)境簡(jiǎn)單,無(wú)近鄰的大型建筑,沿基坑?xùn)|北側(cè)有幾棟2層民宅,距離基坑較遠(yuǎn)．

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:mm)

1.2 地質(zhì)條件

2 有限元分析

2.1 建模

建立三維1∶1有限元模型,模型尺寸為318 m×150 m×50 m．根據(jù)實(shí)際地層情況建立土體模型,土體共分9層,土體及地下連續(xù)墻模型為實(shí)體模型,支撐體系選用梁?jiǎn)卧Ｐ?地連墻、土體及支撐模型見(jiàn)圖3．實(shí)體單元網(wǎng)格類型為C3D8R八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元,利用單精度輻射狀網(wǎng)格劃分方法,對(duì)地連墻及周圍15 m范圍內(nèi)的土體網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化和加密處理．土體與墻體間的接觸采用面面接觸模型,每層土體土性不同使得各層土體與墻體的摩擦系數(shù)也不相同．接觸面建立過(guò)程中, 按照不同土層分別建立接觸面,其中墻體內(nèi)外表面為內(nèi)外接觸面對(duì)的主面,墻內(nèi)及外部的土體界面為從面．接觸屬性中限制法向剛度和切向剛度,法向剛度采用硬接觸,并允許接觸后分離．切向剛度選用罰函數(shù),各接觸面摩擦系數(shù)按照不同土體的內(nèi)摩擦角計(jì)算求得．地連墻與支撐體系之間選用嵌入接觸,支撐體系作為內(nèi)嵌體,地連墻為嵌固區(qū)域．基坑周邊無(wú)近鄰的大型建筑,東北側(cè)幾處民宅整體荷載小且距離基坑較遠(yuǎn),對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響較小,因此在建模計(jì)算過(guò)程中未考慮其荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響．

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位:m)

表1 主要地層參數(shù)

(a) 地連墻及土體模型

(b) 支撐模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

地連墻材料屬性為彈性模型,彈性模量取30 GPa．各層土體均采用以摩爾-庫(kù)倫屈服條件為破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型．內(nèi)支撐為梁?jiǎn)卧?選用彈性模型,鋼支撐彈性模量為209 GPa,鋼筋混凝土支撐彈性模量為30 GPa．各土層計(jì)算參數(shù)值見(jiàn)表1．

2.3 計(jì)算步驟

按照施工過(guò)程進(jìn)行分析步設(shè)計(jì),通過(guò)設(shè)定網(wǎng)格單元的生死來(lái)模擬施工步驟．具體分析步驟為:① 平衡初始應(yīng)力場(chǎng);② 地連墻施工;③ 開(kāi)挖第i(i=1,2,…,5)層土體,并布設(shè)第k(k=1,2,3,4)層支撐,其中開(kāi)挖1～5層土體層厚分別為1.7,3.4,3.0,4.0,4.7 m．

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 地連墻水平位移

圖4為基坑開(kāi)挖過(guò)程中的地連墻水平位移云圖．圖中,U3表示地連墻沿水平方向(Z軸方向)位移．圖5給出了各工況地連墻長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面和標(biāo)準(zhǔn)段端部斷面(圖4(b)中箭頭標(biāo)識(shí))墻體水平位移,圖中工況1～工況9依次表示:開(kāi)挖第1層土體、布設(shè)第1層支撐、開(kāi)挖第2層土體、布設(shè)第2層支撐、開(kāi)挖第3層土體、布設(shè)第3層支撐、開(kāi)挖第4層土體、布設(shè)第4層支撐、開(kāi)挖第5層土體．由圖可知,每個(gè)工況下墻體水平位移最大值均位于基坑長(zhǎng)邊的中點(diǎn)區(qū)域,基坑逐步開(kāi)挖過(guò)程中,地連墻水平位移逐步增大,變形最大位置沿墻身逐漸向下移動(dòng)．開(kāi)挖至基底后,墻體最大水平位移為31.45 mm,標(biāo)準(zhǔn)段端部斷面最大水平位移為20.91 mm,最大水平位移位置都在墻頂以下14 m處．

(a) 開(kāi)挖第1層土體

(b) 開(kāi)挖第5層土體

(a) 長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面

(b) 標(biāo)準(zhǔn)段端部斷面

2.4.2 基坑周邊土體沉降

圖6為基坑開(kāi)挖過(guò)程中的周邊土體豎向位移云圖．圖中,U2表示基坑周邊土體沿豎直方向(Y軸方向)位移．圖7給出了各工況長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面和標(biāo)準(zhǔn)段端部斷面(圖6中箭頭標(biāo)識(shí))土體沉降．由圖可知,每個(gè)計(jì)算工況周邊土體沉降最大值均位于基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)區(qū)域,沿基坑長(zhǎng)邊呈條形分布．隨著基坑逐步開(kāi)挖,沉降影響范圍也逐漸擴(kuò)大, 開(kāi)挖至基底后,土體沉降最大值為15.45 mm,發(fā)生在距基坑邊緣7.54 m處,周邊土體沉降影響范圍約為35 m,主要影響范圍約為19 m．

圖6 周邊土體沉降云圖

2.4.3 支撐軸力

每個(gè)工況支撐軸力峰值都出現(xiàn)在基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)區(qū)域,基坑端頭部分斜支撐軸力相對(duì)較?。?開(kāi)挖第5層土體至基底時(shí),各層支撐軸力峰值從大到小依次為第1層支撐、第4層支撐、第2層支撐、第3層支撐．

3 監(jiān)測(cè)方案及數(shù)據(jù)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形(墻體測(cè)斜)、支撐軸力、周邊土體地表沉降、坑外地下水位等．適當(dāng)增加了數(shù)值計(jì)算中受力及變形較大區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量:在基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)區(qū)域,加密測(cè)斜管的布置;在基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)區(qū)域及標(biāo)準(zhǔn)段兩端處增加土體沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量,每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖8(a)中方框標(biāo)出區(qū)域),5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距基坑邊緣依次為1.5,5.0,11.0,21.0,35.0 m,其余斷面布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)．基坑周邊共布設(shè)113個(gè)土體沉降點(diǎn)(編號(hào)DBC-001～DBC-113),地連墻內(nèi)共埋設(shè)32孔測(cè)斜管(編號(hào)ZQT01～ZQT32),第1層～第4層支撐每層布設(shè)12組軸力計(jì)(以第1層支撐為例,軸力計(jì)編號(hào)為ZCL-01-01～ZCL-12-01),4層支撐同一平面位置處的4組軸力計(jì)組成一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,共12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(監(jiān)測(cè)斷面編號(hào)為ZCL-01～ZCL-12,以監(jiān)測(cè)斷面ZCL-01為例,第1層～第4層基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)區(qū)域及標(biāo)準(zhǔn)段兩端處增加土體沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量,每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置5個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖8(a)中方框標(biāo)出區(qū)域),5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距基坑邊緣依次為1.5,5.0,11.0,21.0,35.0 m,其余斷面布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)．基坑周邊共布設(shè)113個(gè)土體沉降點(diǎn)(編號(hào)DBC-001～DBC-113),地連墻內(nèi)共埋設(shè)32孔測(cè)斜管(編號(hào)ZQT01～ZQT32),第1層～第4層支撐每層布設(shè)12組軸力計(jì)(以第1層支撐為例,軸力計(jì)編號(hào)為ZCL-01-01～ZCL-12-01),4層支撐同一平面位置處的4組軸力計(jì)組成一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,共12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(監(jiān)測(cè)斷面編號(hào)為ZCL-01～ZCL-12,以監(jiān)測(cè)斷面ZCL-01為例,第1層～第4層軸力計(jì)編號(hào)為ZCL-01-01～ZCL-01-04)．圖8(a)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)半平面布置圖,基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8(b)所示．

(a) 長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面土體沉降

(b) 標(biāo)準(zhǔn)段端部斷面土體沉降

圖7 各工況周邊土體沉降

(a) 半平面布置圖

(b) 標(biāo)準(zhǔn)斷面布置圖

3.2 地連墻測(cè)斜數(shù)據(jù)

圖9為ZQT25(位于基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn))及ZQT30(位于標(biāo)準(zhǔn)段端部)的測(cè)斜數(shù)據(jù)．由圖可見(jiàn),基坑在開(kāi)挖過(guò)程中,ZQT25測(cè)斜管處地連墻最大水平位移為35.50 mm,最大位移發(fā)生在墻頂以下14.5 m處;ZQT30測(cè)斜管處連墻最大水平位移為25.89 mm,最大位移發(fā)生在墻頂以下12.0 m處．

(a) ZQT25

(b) ZQT30

3.3 周邊土體沉降

選取DBC-083～DBC-087(基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn))及DBC-004～DBC-008(標(biāo)準(zhǔn)段端部)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)．如圖10所示,基坑開(kāi)挖至基底時(shí),DBC-083～DBC-087斷面內(nèi)DBC-085點(diǎn)沉降最大,最大沉降為42.88 mm,測(cè)點(diǎn)位置距基坑邊緣11.0 m;DBC-004～DBC-008斷面內(nèi)DBC-007點(diǎn)沉降最大,最大沉降為32.71 mm,測(cè)點(diǎn)位置距基坑邊緣5.0 m．

(a) DBC-083～DBC-087

(b) DBC-004～DBC-008

3.4 支撐軸力

圖11為第1層～第4層支撐軸力監(jiān)測(cè)值．由圖可知,第1層～第4層支撐軸力最大測(cè)值都位于監(jiān)測(cè)斷面ZCL-07內(nèi)．各層支撐軸力最大測(cè)值從大到小依次為第1層、第4層、第2層、第3層．圖12為ZCL-07斷面內(nèi)ZCL-07-01～ZCL-07-04軸力計(jì)在各工況下的測(cè)值曲線．由圖可知,上一層支撐軸力測(cè)值在開(kāi)挖下一層土體時(shí)增大明顯,會(huì)出現(xiàn)較大突變,待下一層支撐安裝完成并發(fā)揮作用后,上一層支撐軸力測(cè)值減?。缘?層支撐ZCL-07-01為例,開(kāi)挖第2層土體后,ZCL-07-01軸力測(cè)值增大,布設(shè)第2層支撐后,ZCL-07-01軸力測(cè)值減?。馏w開(kāi)挖過(guò)程中,各層軸力測(cè)值多次出現(xiàn)增大—減小的過(guò)程,曲線整體呈折線形．第1層支撐軸力測(cè)值整體較大,最大測(cè)值1 734 kN．對(duì)于工況2～工況9,ZCL-07-01軸力測(cè)值依次為480,1 263,898,1 689,1 460,1 734,1 046,1 492 kN．第1層支撐軸力測(cè)值曲線的4個(gè)波谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)工況分別為布設(shè)第1層～第4層支撐,4個(gè)波峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)工況分別為開(kāi)挖第2層～第5層土體．工況2的支撐軸力測(cè)值為480 kN,工況3則變?yōu)? 263 kN,增大了2.6倍．工況5的支撐軸力測(cè)值較工況4增大了1.9倍,工況7較工況6增大了1.9倍,工況9較工況8增大了1.4倍．因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這種突變對(duì)支撐安全儲(chǔ)備的影響,在監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)此過(guò)程中支撐軸力的變化．

圖11 各層支撐軸力監(jiān)測(cè)值

圖12 各工況下軸力計(jì)ZCL-07-01～ZCL-07-04的監(jiān)測(cè)值

4 有限元結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 地連墻水平位移

ZQT25,ZQT30的實(shí)測(cè)值和相應(yīng)位置處的有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖13．經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可知,有限元分析得到的墻體變形規(guī)律與實(shí)測(cè)得到的墻體變形規(guī)律吻合,ZQT25和ZQT30處地連墻變形計(jì)算與實(shí)測(cè)的差值分別為4.07和4.98 mm(分別占實(shí)測(cè)值的11%和19%),平均計(jì)算誤差(約4.5 mm)為實(shí)測(cè)值的15%,數(shù)值差異較小,說(shuō)明建模及土體參數(shù)取值合理,整體模擬精度較高．

(a) ZQT25

(b) ZQT30

開(kāi)挖第5層土體至基底時(shí)引起的墻體變形顯著,計(jì)算和實(shí)測(cè)的變形增量分別為9.1和10.5 mm,呈明顯的非線性增長(zhǎng)．主要原因是,坑底及以上部分位于淤泥質(zhì)土及粉細(xì)砂中,被動(dòng)區(qū)土體性質(zhì)差,開(kāi)挖面以上支撐剛度較大,導(dǎo)致水平變形向下發(fā)展,從而出現(xiàn)變形明顯且變形位置明顯下移現(xiàn)象,計(jì)算及實(shí)測(cè)得到地連墻最大水平位移位置距離墻頂分別為0.83he和0.86he(he為基坑開(kāi)挖深度)．因此,在基坑開(kāi)挖至基底過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注開(kāi)挖面附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的變化速率．

墻體水平位移的計(jì)算和實(shí)測(cè)最大值都超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定的控制標(biāo)準(zhǔn)(≤0.25%he,且<30 mm),但圍護(hù)結(jié)構(gòu)仍能發(fā)揮其正常的作用,圍護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面及端部斷面變形差異較大．目前,地鐵基坑大都為狹長(zhǎng)型基坑．結(jié)合文獻(xiàn)[1-2,10]中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于軟土區(qū)的狹長(zhǎng)型深基坑,基坑不同位置處的變形具有明顯差異,因此規(guī)范中的變形統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步細(xì)化．

4.2 周邊土體沉降

DBC-021～DBC-025,DBC083～DBC-087,DBC-004～DBC-008,DBC-100～DBC-104斷面實(shí)測(cè)值和對(duì)應(yīng)位置處的有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖14．

(a) DBC-021～DBC-025,DBC-083～DBC-087

(b) DBC-004～DBC-008,DBC-100～DBC-104

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,DBC-021～DBC-025和DBC-083～DBC-087斷面,DBC-004～DBC-008和DBC-100～DBC-104斷面沉降曲線的沉降最大值位置分別位于距基坑5和11 m處．由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限,監(jiān)測(cè)結(jié)果具有離散性,因此,真正的沉降最大值位置位于距離基坑邊緣5～11 m處,即基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面和標(biāo)準(zhǔn)段端部斷面處沉降最大值位置都位于實(shí)測(cè)沉降曲線兩峰值之間,該結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果一致．有限元計(jì)算得到的周邊土體沉降與后期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)律吻合,最大沉降位置準(zhǔn)確,能良好地反映基坑開(kāi)挖過(guò)程中周邊土體的變形規(guī)律,但實(shí)測(cè)地表沉降值遠(yuǎn)大于有限元計(jì)算結(jié)果,主要原因在于:

1) 建模中土體為摩爾-庫(kù)倫模型,為理想彈塑性模型,其實(shí)質(zhì)為線彈性模型加上摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則．它能夠描述土體的塑性變形并反映土體的破壞行為,但其在達(dá)到破壞之前的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是彈性的,因此在模擬非線性變形的過(guò)程中具有局限性．

2) 實(shí)際施工過(guò)程中,地連墻多處墻幅接頭位置出現(xiàn)過(guò)不同程度滲漏水情況,并導(dǎo)致坑外地下水位出現(xiàn)明顯變化,排水固結(jié)過(guò)程導(dǎo)致土體沉降明顯．

3) 實(shí)際施工過(guò)程中存在不同程度的機(jī)械擾動(dòng)及超挖現(xiàn)象,而模擬過(guò)程中未能考慮機(jī)械擾動(dòng)、超挖及時(shí)空效應(yīng)對(duì)周邊土體沉降的影響．

4.3 支撐軸力

數(shù)值模擬的支撐軸力及變形規(guī)律與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合,在數(shù)值上存在一定差異．主要原因在于,模擬基坑開(kāi)挖是一種理想的整體開(kāi)挖過(guò)程,而實(shí)際工程中開(kāi)挖方式、支撐安裝時(shí)機(jī)等因素都會(huì)對(duì)支撐軸力產(chǎn)生較大影響．基坑開(kāi)挖過(guò)程中,支撐軸力測(cè)值在開(kāi)挖下一層土體時(shí)顯著增大,有明顯的突變現(xiàn)象,待下一層支撐安裝完成并發(fā)揮作用后,上一層支撐軸力測(cè)值明顯減小,曲線整體呈折線形．基坑開(kāi)挖過(guò)程中第1層支撐軸力測(cè)值整體較大,最大軸力測(cè)值出現(xiàn)在第1層支撐ZCL-07監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)．第4層支撐軸力測(cè)值也較大,原因在于開(kāi)挖第5層土體后墻體變形較大且第4層支撐以下至基底范圍內(nèi)再無(wú)其他支撐作用．

5 結(jié)論

1) 采用摩爾庫(kù)倫模型對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行了模擬．計(jì)算結(jié)果表明,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變算值較準(zhǔn)確,平均計(jì)算誤差(約4.5 mm)約為實(shí)測(cè)值的15%,周邊土體沉降的計(jì)算值較實(shí)測(cè)值偏小,誤差較大．

2) 數(shù)值計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,在基底及基底以上區(qū)域存在軟弱土層的軟土區(qū),開(kāi)挖最后一層土體且開(kāi)挖面附近無(wú)支撐作用的情況下,墻體水平變形明顯增大,被動(dòng)區(qū)土體性質(zhì)差導(dǎo)致水平變形向下發(fā)展,從而出現(xiàn)變形位置明顯下移的現(xiàn)象．因此,在基坑開(kāi)挖至基底的過(guò)程中,監(jiān)測(cè)工作應(yīng)以開(kāi)挖面附近圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化速率為控制指標(biāo)．

3) 狹長(zhǎng)型深基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)斷面及端部斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形差異較大,現(xiàn)有規(guī)范有待進(jìn)一步細(xì)化．因此,在實(shí)際工程中,安全監(jiān)測(cè)方案應(yīng)對(duì)基坑不同位置分別制定具有針對(duì)性的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值．

4) 計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果都表明,在基坑開(kāi)挖過(guò)程中,支撐軸力在開(kāi)挖下一層土體時(shí)測(cè)值明顯增大,會(huì)出現(xiàn)較大突變．因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮這種突變對(duì)支撐安全儲(chǔ)備的影響,在監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)此過(guò)程中支撐軸力的變化．

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Numerical simulation and monitoring on construction process of deep pit of subway station in soft clay

Xu Jiang Gong Weiming Mu Baogang Liu Botao Zhang Qi Dai Guoliang

(Key of Laboratory for Concrete and Pre-Stressed Concrete Structure of Education of Ministry, Southeast University, Nanjing 210096, China)(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the deformation of deep pit and surrounding soil displacement in the soft soil area, the software ABAQUS was used for modeling analysis and safety monitoring of the construction process of a subway deep pit in soft soil area. The calculation results were compared with the measured data. The results show that when the Mohr Coulomb model is used to simulate the construction process of pit,the horizontal displacement of the wall calculated is accurate and the average calculation error of the maximum displacement of the wall is 15% of the measured value. The calculated settlement of the surrounding soil is smaller than the measured value. When the last layer of soil is excavated and there is no supporting action near the excavation surface, the horizontal deformation of the wall increases obviously. The increment of the deformation of the long-side mid-point section and that of the end section of the long-side are 9.1 and 10.5 mm, respectively. The change rate of the horizontal displacement of the diaphragm wall near the excavation surface should be taken as the control index of safety monitoring. The mid-point section of the long-side and the end section of the long-side have different wall deformation in long deep pits. The warning values of the deformation monitoring should be set for different positions. The axial force of the support exhibits a large mutation when the next layer soil is excavated. The impact of the mutation on the support safety reserve should be taken into account in the design, and the change of the axial force before and after mutation should be focused on during monitoring.

deep pit of subway station in soft clay; finite element analysis; monitoring; deformation of retaining structure

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.029

2016-09-25. 作者簡(jiǎn)介: 徐江(1988— )，男，博士生；龔維明(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，wmgong@seu.edu.cn．

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX16_0238)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB036304).

徐江,龔維明,穆保崗,等.軟土區(qū)某地鐵深基坑施工過(guò)程數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(3):590-598.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.029.

TU476.3

A

1001-0505(2017)03-0590-09