支撑架设时机对基坑围护墙侧向位移影响研究

发表时间:2016/9/23   来源:《工程建设标准化》2016年8月总第213期   作者:程兴 韩冬
[导读] 实际施工单位土方开挖过程受环境、经济、工期等多因素制约,易造成土方超挖和支撑架设滞后。
(江苏省交通规划设计院股份有限公司,江苏,南京,210014)
  【摘  要】随着城市轨道交通建设的高速发展,由基坑超挖引发的围护体变形问题也越来越受到关注。本文以长三角地区某地铁车站基坑为背景,借助有限元计算软件PLAXIS2D将计算结果与监测数据进行对比分析,并对基坑开挖过程中超挖引起围护结构变形规律进行了研究。分析结果表明:基坑超挖和支撑架设不及时对地连墙墙体侧向位移影响显著,超挖后补架支撑对减小墙体侧向位移的作用并不明显。
  【关键词】基坑;超挖;墙体侧向位移;数值模拟;实测
  引言
  近年来,随着城市化建设步伐的加快,地铁建设的速度和规模都在不断提高。采用内支撑的地铁明挖基坑在土方开挖过程中,应充分利用支护的时空效应,分层、分段开挖,在土方挖到设计标高后及时架设支撑,减少无支撑暴露时间。实际施工单位土方开挖过程受环境、经济、工期等多因素制约,易造成土方超挖和支撑架设滞后。
  基坑超挖易造成过大的围护结构侧向位移、周边地表沉降及坑底隆起,影响基坑的稳定性及其邻近设施的安全和正常使用[1]。目前,数值模拟在研究围护结构侧向位移过程中已被广泛应用[2]~ [3],但较少结合现场监测数据。此外,对围护结构侧向变形随超挖深度的变化规律的研究几乎是空白。
  本文借助有限元计算软件PLAXIS2D将计算结果与监测数据进行对比分析,并对基坑开挖过程中超挖引起围护结构变形规律进行研究。
  1 工程概况与地质条件
  1.1 工程概况
  某地铁车站基坑采用明挖顺作法施工,地下连续墙组合水平内支撑的围护结构。基坑标准段采用四道支撑。
  1.2 地质条件
  根据详勘报告,拟计算断面基坑开挖深度范围内地层分布情况自上而下分别是:①-1杂填土;②-1cd2-3粉土夹粉砂;②-1bd4淤泥质与粉砂互层;②-1d2-3粉砂;②-2a4淤泥质粘土;②-2a3-4粘土;②-3a2粘土;③-2d1粉砂;④-4e中粗砂混卵砾石;K2c-2强风化岩;K2c-3中风化岩。
  2 有限元模型建立
  本文的研究重点在于地下连续墙墙体的侧向位移随基坑开挖深度的变化规律,未将基坑开挖可能的影响宽度全部纳入模型[4]~[6]。其中,本构模型采用库伦-莫尔弹塑性模型,土体单元利用15个节点三角形单元模拟。拟研究工况周围无较大超载,取超载类型为均布荷载,大小10kPa,范围为基坑边缘0.5m~6.5m。④-4e中粗砂混卵砾石下为中风化岩层,压缩模大,因此模型底部设置为固定边界,两侧设定为非固定边界。


  3 有限元计算及成果分析
  现模拟基坑开挖过程中,该断面在第二、三、四道支撑均未架设并超挖到底的情况,首先选取典型工况进行数值计算,再将计算结果与监测数据进行对比分析,以验证数值计算的合理性。
  将数据进行对比,现场监测数据与有限元计算结果在距离圈梁顶5m以下一致性较强,其中现场监测数据地连墙墙体累计侧向位移最大值发生在13.0m处,大小为142mm,有限元模拟累计侧向位移最大值发生在13.5m处,大小为135mm。
  分析认为,模型对圈梁顶5m范围以下的地连墙墙体侧向位移有着较好的模拟效果,且对地连墙墙体侧向位移累计最大位移的发生位置及位移量预测较为准确。
  4 超挖对地连墙墙体最大侧向位移影响分析
  上文的对比分析证实了使用PLAXIS2D计算超挖引起地连墙墙体侧向位移累计值的可行性,下面分超挖工况对地连墙墙体侧向位移累计值进行讨论,具体工况设置为: ①第一道砼支撑按设计架设,其余钢支撑不架设,超挖至标高+1m~-6.5m;②第一道砼支撑按设计架设,二撑超挖至+1m处架设,其余支撑不架设;③第一道砼支撑按设计架设,二撑超挖至+1m处架设,其余支撑不架设。
  通过计算可以看出:首先,墙体侧向最大位移与超挖深度关系基本表现为线性增加;其次,三种超挖工况与标准工况相比墙体侧向位移最大值增量均较大,可见超挖对墙体侧向位移的影响是显著的;最后,在三种超挖工况中,二撑架设越晚,墙体侧向位移最值越大,但最大位移增量较小。
  通过计算还可以发现:其一、随着墙体侧向位移最大值发生位置随开挖深度的增加而增加;其二,二撑架设越晚最大位移发生位置与冠梁顶距离越大;其三,开挖至基坑底附近时,最大位移发生位置下移有减缓趋势。
  对计算结果分析如下:(1)墙体最大位移值随开挖深度增加而增加,最大位移发生位置亦随开挖深度的增加而下移;(2)超挖对墙体侧向位移影响显著,由于超挖时墙体及墙后土体的大部分位移量已经发生,因此,超挖后补充架设钢支撑对减小墙体侧向位移量作用并不明显。
  5 结语
  本文以有限元计算成果与现场监测数据对比,证明了研究所采用的计算模型的合理性,并以此模型为基础讨论了超挖对墙体侧向位移最值及发生位置的影响,主要结论如下:
  (1)使用的计算模型在研究地连墙墙体侧向位移最值和最值发生位置方面与现场监测数据一致性较强,模拟效果较好;
  (2)基坑超挖和支撑架设不及时对地连墙墙体侧向位移影响显著,超挖不利于地连墙墙体的侧向位移控制;
  (3)超挖后补充架设钢支撑对减小墙体侧向位移的作用并不明显且架设越晚支撑效果越弱。
  参考文献:
  [1]SU S F, LIAO H J, LIN Y H. Base stability of deep excavation in  anisotropic  soft  clay[J]. Journal of Geotechnical and  Geoenvironmental Engineering, 1998, 124(9): 809-819.
  [2]许胜,王媛. 深基坑渗流对周边环境影响数值模拟研究[J]. 路基工程, 2009 ( 3) : 58-59.
  [3]赵锡宏,李蓓,杨国祥,等. 大型超深基坑工程实践与理论[M]. 北京:人民交通出版社,2005.
  [4]北京金土木软件技术责任公司. PLAXIS 岩土工程软件使用指南[M]. 北京: 人民交通出版社,2007: 8.
  [5]叶金汉,夏万仁. 岩土力学参数手册[K]. 北京: 水利电力出版社,1995.
  [6]刘建航,侯学渊. 基坑工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,1997.
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