軟土地區(qū)基坑工程時(shí)空效應(yīng)分析

軟土地區(qū)基坑工程時(shí)空效應(yīng)分析

0地鐵與地鐵基坑支護(hù)問(wèn)題近年來(lái)，上海軌道交通建設(shè)快速發(fā)展。根據(jù)上海市總體規(guī)劃，軌道交通線路總長(zhǎng)約1780公里，共有17條線路。自2006年起，每年建設(shè)數(shù)十個(gè)新站，同時(shí)建設(shè)100多個(gè)工點(diǎn)。地鐵由于其特殊的功能及特點(diǎn)，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(huì)出現(xiàn)大量相鄰建筑保護(hù)的巖土工程問(wèn)題。地鐵車站基坑的安全穩(wěn)定問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，基坑變形大小和變化規(guī)律不僅關(guān)系到基坑本身的安全，也關(guān)系到周圍建筑物及地下管線的安全。由于基坑支護(hù)開(kāi)挖問(wèn)題比較復(fù)雜，所以現(xiàn)有的基坑工程設(shè)計(jì)理論大多采用彈性計(jì)算法，即使個(gè)別情況下考慮塑性變形，也不考慮時(shí)間的影響，從而使設(shè)計(jì)計(jì)算值同實(shí)測(cè)值之間誤差極大，可信度很小。本文結(jié)合上海地鐵M6線某明挖區(qū)間基坑工程，在對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合“時(shí)空效應(yīng)”理論進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了該基坑的變形特征和變化規(guī)律，希望對(duì)軟土地區(qū)地鐵車站基坑工程提供有益的借鑒。1項(xiàng)目總結(jié)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(zhǎng)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(chǎng)，兩條線路在此段由平行變?yōu)樯舷陆诲e(cuò)后分叉，本區(qū)間岔道口段為一級(jí)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(jí)為三級(jí)基坑，即圍護(hù)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(jiàn)表1。1.2厚度：表面粗糙度地下墻根據(jù)不同基坑保護(hù)級(jí)別設(shè)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(shè)四道支撐（局部段5道支撐），該計(jì)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(cè)點(diǎn)布置和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用本區(qū)間對(duì)測(cè)斜、水平沉降、水位、支撐軸力等進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)控制（測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖1），并利用遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸和分析，結(jié)合工況指導(dǎo)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(hù)體系自身的穩(wěn)定，為設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。2基站防護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征分析本次研究以測(cè)斜點(diǎn)不同工況下變形情況、不同時(shí)段的變化速率以及不同測(cè)點(diǎn)最大變形分布等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段和分岔段進(jìn)行分析探討。2.1無(wú)支撐暴露時(shí)間對(duì)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(jiàn)采用多道支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律；(2)隨著開(kāi)挖不斷加深，地下墻變形也不斷增大，出現(xiàn)踢腳，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)段最后一天（10月5日）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，最大累計(jì)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(xiàn)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(kāi)挖持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，既基坑暴露時(shí)間越長(zhǎng)，變形增長(zhǎng)越快，5月31日完成第三道鋼支撐到9月3日架設(shè)完第四道鋼支撐，在3個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，累計(jì)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(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)挖和分段不嚴(yán)格，架設(shè)支撐不及時(shí)，挖土對(duì)被動(dòng)區(qū)土體擾動(dòng)和主動(dòng)區(qū)軟土的流變特性，對(duì)地墻變形有較大影響。由此可見(jiàn)無(wú)支撐暴露時(shí)間對(duì)地墻變形有著非常重要的影響，這充分驗(yàn)證了軟土地區(qū)考慮時(shí)間和空間因素的必要性。(2）分岔段最大累計(jì)側(cè)向變形43.27mm，遠(yuǎn)超過(guò)報(bào)警值（1.4‰×16=22.4mm），經(jīng)調(diào)查，該處施工因某些原因使得挖土?xí)r間過(guò)長(zhǎng)，開(kāi)挖第三層土從8月25日開(kāi)始，直到29日才開(kāi)挖到第三道支撐下0.5m的位置，而且此后支撐未能及時(shí)架設(shè)，使得基坑在無(wú)支撐狀態(tài)下暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。從圖3中可以看出基坑側(cè)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(kāi)挖到底時(shí)，此時(shí)由于開(kāi)挖較深，挖土?xí)r間較長(zhǎng)，基坑處于無(wú)支撐狀態(tài)下，且正處于淤泥質(zhì)粘土層的不利土層中，使得變形速率迅速增大，開(kāi)挖到底后，采取措施搶澆墊層，速率才慢慢放緩。3采用時(shí)間效應(yīng)計(jì)算原理和例3.1采用彈性桿系有限元法基坑工程中時(shí)空效應(yīng)原理的施工方法有別于常規(guī)的施工技術(shù)，它強(qiáng)調(diào)支撐架設(shè)的及時(shí)性和挖土工藝（分層、分段、對(duì)稱、平衡等）。因此，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中必須引入時(shí)間和空間的概念，本文中，采用考慮土體流變性的分析計(jì)算方法—彈粘性有限元計(jì)算法。用此模型計(jì)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)可以考慮基坑變形隨時(shí)間的變化，較彈性方法更合理。在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中常規(guī)采用的桿系有限元法，只要給定土壓力和被動(dòng)抗力系數(shù)，就可以求解出擋土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形。圖4為彈性桿系有限元法計(jì)算簡(jiǎn)圖。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)桿系有限元計(jì)算中的土壓力和被動(dòng)抗力系數(shù)分別修正到接近實(shí)測(cè)值，計(jì)算結(jié)果比較接近于實(shí)際情況。3.2土體水平基床系數(shù)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于軟土的流變性及被動(dòng)區(qū)土壓力和開(kāi)挖方式差異性，被動(dòng)區(qū)土壓力及水平抗力系數(shù)Kh都是變化的。為了獲得在一定地質(zhì)和一定施工條件下的等效土體水平抗力系數(shù)，可收集擋墻位移、內(nèi)力、土壓力等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)大量反分析獲得反映Kh與開(kāi)挖工況、時(shí)間、分塊尺寸、位置等一系列因素的相關(guān)性的計(jì)算方法，按此計(jì)算方法得到的稱為等效土體水平基床系數(shù)（詳見(jiàn)劉國(guó)彬?qū)ｎ}論文）。文獻(xiàn)通過(guò)理論研究分析，建立了不同土層，工況條件下的Kh值計(jì)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(nèi)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(kāi)挖寬度；Tj為第j道工序的開(kāi)挖時(shí)間，Hj為第j道工序的開(kāi)挖深度；A1,A2，…，A7是待定系數(shù)；具體函數(shù)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(nèi)位移增大，導(dǎo)致主動(dòng)區(qū)的主動(dòng)土壓力下降。實(shí)測(cè)資料表明：主動(dòng)區(qū)深層的土壓力下降的幅度較大，而淺層的土壓力無(wú)明顯變化，主動(dòng)區(qū)的流變主要發(fā)生在深層，這是因?yàn)橥翆油馏w單元處在較高的應(yīng)力水平下，土體所受的剪應(yīng)力值較大，從實(shí)測(cè)資料來(lái)看，墻后主動(dòng)土壓力與采用梯形分布相當(dāng)接近，故而按面積相等的原則等價(jià)成梯形分布。設(shè)?為按實(shí)測(cè)值所設(shè)定的等效梯形面積與按彈性計(jì)算的主動(dòng)土壓力面積的比值，文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)資料的分析整理，得出?約為0.7～1.0。?是綜合考慮時(shí)間、土體流變性質(zhì)等的綜合參數(shù)。在實(shí)際計(jì)算中，可令土壓力不隨施工工況而變化，而將時(shí)空效應(yīng)對(duì)土壓力的影響統(tǒng)一考慮到等效土體水平基床系數(shù)中去。3.4支撐完成和計(jì)算工況該區(qū)間分岔段計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2，取6m的小段開(kāi)挖，24h內(nèi)支撐完成（規(guī)范要求）和實(shí)際工況下支撐完成兩種情況下進(jìn)行計(jì)算。分岔段開(kāi)挖深度16m。4計(jì)算結(jié)果分析圖5為圍護(hù)墻體分岔段實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較，分岔段實(shí)測(cè)43.27mm。實(shí)際工況下計(jì)算的最大累計(jì)側(cè)向變形為42.92mm，與實(shí)測(cè)值43.27mm較接近。24h內(nèi)加撐完畢的計(jì)算位移為33.92mm。表明采用本文的計(jì)算模型能夠較好地反映基坑開(kāi)挖過(guò)程中變形的基本性狀，用于計(jì)算軟土地區(qū)基坑變形是可行的。計(jì)算曲線形狀與實(shí)測(cè)曲線形狀存在一定的差別，是因?yàn)閷?shí)際施工過(guò)程中，鋼支撐存在一定的應(yīng)力損失，支撐軸力也存在時(shí)空效應(yīng)過(guò)程，計(jì)算中沒(méi)有考慮這一因素，有待進(jìn)一步完善。5基坑