軟土地區(qū)基坑工程時空效應分析

軟土地區(qū)基坑工程時空效應分析

0地鐵與地鐵基坑支護問題近年來，上海軌道交通建設快速發(fā)展。根據上海市總體規(guī)劃，軌道交通線路總長約1780公里，共有17條線路。自2006年起，每年建設數十個新站，同時建設100多個工點。地鐵由于其特殊的功能及特點，必然位于城市的中心區(qū)域，尤其越在建筑密集交通繁忙的區(qū)段越要建地鐵，這就必然會出現大量相鄰建筑保護的巖土工程問題。地鐵車站基坑的安全穩(wěn)定問題也越來越受到人們的關注，基坑變形大小和變化規(guī)律不僅關系到基坑本身的安全，也關系到周圍建筑物及地下管線的安全。由于基坑支護開挖問題比較復雜，所以現有的基坑工程設計理論大多采用彈性計算法，即使個別情況下考慮塑性變形，也不考慮時間的影響，從而使設計計算值同實測值之間誤差極大，可信度很小。本文結合上海地鐵M6線某明挖區(qū)間基坑工程，在對實測數據分析的基礎上，結合“時空效應”理論進行了數值計算，研究了該基坑的變形特征和變化規(guī)律，希望對軟土地區(qū)地鐵車站基坑工程提供有益的借鑒。1項目總結1.1區(qū)間基坑方案上海市軌道交通M6線某明挖區(qū)間位于浦東新區(qū)該區(qū)間總長1056.334m，采用明挖順作法施工。區(qū)間基本為地下一層，但區(qū)間彎道處存在分叉段通向停車場，兩條線路在此段由平行變?yōu)樯舷陆诲e后分叉，本區(qū)間岔道口段為一級基坑，地下墻最大允許變形≤1.4‰H(H為基坑深度）。此外區(qū)間基坑等級為三級基坑，即圍護墻最大水平位移≤0.7%H。本區(qū)間基坑工程各土層的分布情況見表1。1.2厚度：表面粗糙度地下墻根據不同基坑保護級別設置不同深度和厚度，深度為25～33m，厚度為600mm、800mm兩種。沿基坑深度方向一般設四道支撐（局部段5道支撐），該計算分岔段第1、3道為混凝土支撐，其余3道為鋼支撐，坑底下3m采用攪拌樁加固。1.3測點布置和遠程監(jiān)測系統(tǒng)的應用本區(qū)間對測斜、水平沉降、水位、支撐軸力等進行嚴密的監(jiān)測控制（測點布置圖見圖1），并利用遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現監(jiān)測數據的實時采集、傳輸和分析，結合工況指導施工，確保施工區(qū)鄰近已有建筑物、地下管線的安全和圍護體系自身的穩(wěn)定，為設計、施工提供依據。2基站防護結構的變形特征分析本次研究以測斜點不同工況下變形情況、不同時段的變化速率以及不同測點最大變形分布等監(jiān)測數據為依據，對標準段和分岔段進行分析探討。2.1無支撐暴露時間對地墻變形的影響(1)墻體變形整體呈“大肚”狀，既“兩頭小，中間大”，符合常見采用多道支撐圍護結構的變形規(guī)律；(2)隨著開挖不斷加深，地下墻變形也不斷增大，出現踢腳，根據標準段最后一天（10月5日）監(jiān)測數據，最大累計變形為71.22mm，踢腳變形37.32mm；(3)有支撐處，變形小，水平位移值穩(wěn)定增加或不變，圖2上表現為7月29日的曲線在第三道支撐（9.3m）以上的曲線變化較小或者重合；(4)開挖持續(xù)時間越長，既基坑暴露時間越長，變形增長越快，5月31日完成第三道鋼支撐到9月3日架設完第四道鋼支撐，在3個月的時間內，累計變形迅速發(fā)展，由5月31日的9.77mm，增大到64.39mm，主要是由于長時間的開挖和分段不嚴格，架設支撐不及時，挖土對被動區(qū)土體擾動和主動區(qū)軟土的流變特性，對地墻變形有較大影響。由此可見無支撐暴露時間對地墻變形有著非常重要的影響，這充分驗證了軟土地區(qū)考慮時間和空間因素的必要性。(2）分岔段最大累計側向變形43.27mm，遠超過報警值（1.4‰×16=22.4mm），經調查，該處施工因某些原因使得挖土時間過長，開挖第三層土從8月25日開始，直到29日才開挖到第三道支撐下0.5m的位置，而且此后支撐未能及時架設，使得基坑在無支撐狀態(tài)下暴露時間過長。從圖3中可以看出基坑側向變形最大變化速率發(fā)生在第四道支撐安裝完成——墊層澆注完成期間，最大日變化量6.87mm，發(fā)生在10月10日開挖到底時，此時由于開挖較深，挖土時間較長，基坑處于無支撐狀態(tài)下，且正處于淤泥質粘土層的不利土層中，使得變形速率迅速增大，開挖到底后，采取措施搶澆墊層，速率才慢慢放緩。3采用時間效應計算原理和例3.1采用彈性桿系有限元法基坑工程中時空效應原理的施工方法有別于常規(guī)的施工技術，它強調支撐架設的及時性和挖土工藝（分層、分段、對稱、平衡等）。因此，在圍護結構計算模型中必須引入時間和空間的概念，本文中，采用考慮土體流變性的分析計算方法—彈粘性有限元計算法。用此模型計算基坑支護結構可以考慮基坑變形隨時間的變化，較彈性方法更合理。在基坑支護結構的設計計算中常規(guī)采用的桿系有限元法，只要給定土壓力和被動抗力系數，就可以求解出擋土結構的內力與變形。圖4為彈性桿系有限元法計算簡圖。計算中發(fā)現，將傳統(tǒng)桿系有限元計算中的土壓力和被動抗力系數分別修正到接近實測值，計算結果比較接近于實際情況。3.2土體水平基床系數基坑開挖過程中，由于軟土的流變性及被動區(qū)土壓力和開挖方式差異性，被動區(qū)土壓力及水平抗力系數Kh都是變化的。為了獲得在一定地質和一定施工條件下的等效土體水平抗力系數，可收集擋墻位移、內力、土壓力等實測數據，并通過大量反分析獲得反映Kh與開挖工況、時間、分塊尺寸、位置等一系列因素的相關性的計算方法，按此計算方法得到的稱為等效土體水平基床系數（詳見劉國彬專題論文）。文獻通過理論研究分析，建立了不同土層，工況條件下的Kh值計算模型：式中γi是第i層土體的重度；Ci是第i層土體的粘聚力；?i是第i層土體的內摩擦角；hi,hi-1為第i層，第i-1層土體的層底埋深；Bj為第j道工序的開挖寬度；Tj為第j道工序的開挖時間，Hj為第j道工序的開挖深度；A1,A2，…，A7是待定系數；具體函數f由具體條件而定。3.3土體流變分析由于流變的影響，地下墻向坑內位移增大，導致主動區(qū)的主動土壓力下降。實測資料表明：主動區(qū)深層的土壓力下降的幅度較大，而淺層的土壓力無明顯變化，主動區(qū)的流變主要發(fā)生在深層，這是因為土層土體單元處在較高的應力水平下，土體所受的剪應力值較大，從實測資料來看，墻后主動土壓力與采用梯形分布相當接近，故而按面積相等的原則等價成梯形分布。設?為按實測值所設定的等效梯形面積與按彈性計算的主動土壓力面積的比值，文獻通過對實測資料的分析整理，得出?約為0.7～1.0。?是綜合考慮時間、土體流變性質等的綜合參數。在實際計算中，可令土壓力不隨施工工況而變化，而將時空效應對土壓力的影響統(tǒng)一考慮到等效土體水平基床系數中去。3.4支撐完成和計算工況該區(qū)間分岔段計算參數見表2，取6m的小段開挖，24h內支撐完成（規(guī)范要求）和實際工況下支撐完成兩種情況下進行計算。分岔段開挖深度16m。4計算結果分析圖5為圍護墻體分岔段實測值與計算值的比較，分岔段實測43.27mm。實際工況下計算的最大累計側向變形為42.92mm，與實測值43.27mm較接近。24h內加撐完畢的計算位移為33.92mm。表明采用本文的計算模型能夠較好地反映基坑開挖過程中變形的基本性狀，用于計算軟土地區(qū)基坑變形是可行的。計算曲線形狀與實測曲線形狀存在一定的差別，是因為實際施工過程中，鋼支撐存在一定的應力損失，支撐軸力也存在時空效應過程，計算中沒有考慮這一因素，有待進一步完善。5基坑