内坑坑背系数对坑中坑基坑变形影响的敏感性分析

RAILWAY摇STANDARD摇DESIGN

铁道标准设计

Vol.60摇No.4Apr.2016

文章编号:10042954(2016)04008605

内坑坑背系数对坑中坑基坑变形影响的敏感性分析

侯新宇,火映霞,薛必芳

(江苏开放大学建筑工程学院,南京摇210036)

摘摇要:以苏州某地铁换乘站坑中坑为基本模型,采用土体卸载条件下的HS有限元模型,系统研究内坑坑背系数茁对坑中坑基坑支护结构和基坑土体变形的影响。结果表明:外墙侧移随茁增大而增大,茁由0郾125增大到0郾75,外墙最大侧移增加34郾08%,同时最大侧移位置下移了2郾0m,茁对外坑底面附近以上的外墙墙身侧移影响较小,而对坑底以下侧移影响显著。内墙侧移随茁增加而显著增大,茁由0郾125增大到0郾75,内墙墙身最大侧移增加153郾95%,最大侧移位置随茁增大而下移,内墙墙顶竖向位移随茁增大而减小。内坑坑底隆起、外坑坑底隆起随茁增大而微弱减小,外坑坑背沉降总体随茁增大而增大,但不同茁值对应的沉降曲线相似。关键词:坑背系数;坑中坑;变形影响;敏感性分析;HS模型

中图分类号:U231+郾4摇摇文献标识码:A摇摇DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.021

SensitivityAnalysisofImpactofInternalDepthtoBottom

WidthRatioonDeformationofPitinPit

(DepartmentofCivilEngineering,JiangSuOpenUniversity,Nanjing210036,China)

HOUXin鄄yu,HUOYing鄄xia,XUEBi鄄fang

Abstract:AdoptingHardening鄄Soilfiniteelementmodelwithunloadedsoil,thispaperaddressesthethepitinpitbasedonthebasicmodelofthepitofametrotransferstationinSuzhou.Theresultsshow

influenceoftheratio茁ofinternaldepthtobottomwidthontheretainingstructureandthedeformationofthatthelateraldeformationofexternalwallincreaseswithgrowing茁andmaximumvalueof34郾08%isaddedwhen茁increasesfrom0郾125to0郾75,meanwhilethelocationmovesdownward2郾0m;茁haslittleeffectonthelateraldeformationneartheaboveexternalpitbottom,butremarkablyonthepartunderthepitbottom.Thelateraldeformationofinternalwallincreasesobviouslywithgrowing茁andthemaximumdownward,andtheupliftoftheinternalwallreducesaswell.Thebottomupliftoftheinternalandexternalpitdecreasesslightlywithgrowing茁,whilethesettlementoftheinternaldepthtobottomwidthtendstoincreasewithgrowing茁,butthesettlementcurvescorrespondingtodifferent茁aresimilar.

收稿日期:20150813;修回日期:20150826

基金项目:国家自然科学基金项目(41202203);江苏省高校自然科学研究面上项目(14KJB560004);江苏省“六大人才高峰冶项目(2014JZ010);江苏省“青蓝工程冶项目

作者简介:侯新宇(1975—),男,副教授,博士,注册土木工程师(岩土),主要从事地下交通工程的理论研究和技术应用工作,E鄄mail:Houxy_geo@163.com。

valueof153郾95%isaddedwhen茁increasesfrom0郾125to0郾75,meanwhilethelocationmoves

Keywords:Ratioofinternaldepthtobottomwidth;

influence;Sensitivityanalysis;HS(Harden鄄ing鄄Soil)model摇

Pits

in

foundation鄄pit;

Deformation

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第4期侯新宇,火映霞,薛必芳—内坑坑背系数对坑中坑基坑变形影响的敏感性分析

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1摇概述

坑中坑基坑是在传统的大基坑底部开挖小基坑,作为一种独特的基坑形式伴随地下空间开发建设而大批量涌现,特别是在城市地下空间综合体、城市地铁换乘车站,以及超高层建筑地下部分等重要地下工程中,坑中坑基坑的安全可靠性直接关系到地下结构物自身安全以及周边建筑物等。坑中坑基坑的支护结构形式和土方施工特点有别于传统基坑,开挖卸载的土体应力场分布比传统基坑更为复杂[12],常规基坑支护理论和最新的基坑工程设计规范均无法满足当前工程实际问题的需要,针对特殊基坑的变形影响研究更具现实意义[34]。

国内针对坑中坑的研究起步较晚,2005年龚晓

体等变形特征的影响。2摇坑中坑基坑参数的选取

如图1坑中坑基坑断面中,基本模型参数及尺寸为:外坑开挖深度H=16m,外墙入土深度D=16m,内外墙体距离B=16m,内墙入土深度d=8m,内坑开挖深度h=8m。内坑坑背系数定义为内坑开挖深度与内外墙体距离的比值,即茁=h/B。

南[5]最初对坑中坑问题进行归纳分类,后很多学者根据工程实践,对坑中坑从围护结构施工方法以及监测数据分析等角度进行研究[68];陈乐意等[9]针对软土坑中坑的开挖计算深度选取、坑中坑位置对围护结构水平位移的影响进行数值模拟分析;申明亮等的参数和最敏感应力区等结论;王洪新

[11]

[10]

图1摇坑中坑基坑断面示意

分析坑中坑支护基本模型参数H、D、B、d不变的情况下,内墙入土深度h单因素变化的情况下,即内坑坑背系数茁(茁=h/B)对基坑变形特征的单因素影响,见表1。

表1摇内坑坑背系数计算

h/m茁=h/B

20郾125

40郾25

60郾375

80郾5

100郾625

120郾75

对坑

中坑基坑应力场进行参数化研究,最后确定影响最大

把基坑宽度

分为三类,并推导考虑基坑宽度影响的抗倾覆稳定安全系数计算公式;霍军帅等[12]通过离心模型试验研究了上海某异形坑中坑3种不同内外坑间距下内、外坑地下连续墙的变形规律;徐飞飞等[13]分析不同条件下坑中坑的内坑开挖对于外坑围护结构变形的影响,引入围护结构侧移影响率,以综合考虑内坑开挖对外坑的影响以及外坑围护结构的累计变形量大小;熊中华[14]利用ABAQUS有限元软件模拟坑中坑开挖,研究坑趾系数、深度比、面积比3个参数对外坑变形特征影响;丰土根等[15]通过数值模拟分析方法对悬臂式支护结构坑中坑基坑进行研究,得出坑中坑不同开挖位置、深度及大小对围护结构变形的影响规律。

以上研究中对坑中坑基坑坑背系数的深入研究内容则未见。以苏州地铁人民路换乘站为对象,系统研究坑中坑外墙坑背系数变化对基坑支护结构、基坑土

名称重度酌/(kN·m3)填土17郾6粉质黏土19郾4粉土19郾2粉砂、粉土19郾4粉质黏土19郾0粉质黏土20郾2粉质黏土19郾1粉土、粉砂19郾9粉质黏土19郾4粉土、粉质黏土19郾4

3摇坑中坑基坑数值模型

坑中坑基坑开挖卸载过程中,应采用土体卸载模量替代传统的加载模量,理想的弹塑性模型无法满足坑中坑要求。HS(Hardening鄄SoilModel)模型是一个考虑了土体剪胀性的塑性模型,在Mohr鄄Coulomb模型的屈服面基础上引入了一个屈服帽盖,即当对土体施加偏应力(滓1-滓3)时,土体表现出刚度下降,产生塑性应变,很多文献均证明HS模型能够很好地模拟基坑土体开挖。采用HS模型对坑中坑基坑进行数值模拟,模型参数采用三轴固结不排水剪(CU)的有效应力指标,土层物理力学性能参数见表2。

ref

E50/MPa8郾416郾4113郾4614郾684郾667郾76郾8812郾196郾037郾57

表2摇土层计算参数

序号淤盂~2榆~1榆~2虞愚~1愚~2舆余俞

黏聚力c忆/kPa摩擦角渍忆/(毅)

10郾417郾612郾731郾48郾031郾55郾033郾46郾829郾523郾527郾31032郾48郾031郾56郾829郾512郾731郾4

Erefoed/MPa

8郾416郾4113郾4614郾684郾667郾76郾8812郾196郾037郾57

Erefur/MPa25郾2319郾2340郾3836郾117郾421郾124郾443郾72423郾3

泊松比0郾280郾310郾280郾260郾330郾310郾320郾270郾310郾30

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铁道标准设计第60卷

摇下连续墙摇坑中坑断面外墙为,内墙为0郾60m0郾厚地下连续墙80m厚钢筋混凝土现浇地,墙体力学参数见表3。外坑设置3道支撑,首道支撑为钢筋混凝土支撑,其余为准609mm(t=6mm)钢管支撑;内坑设置2道准609mm(t=6mm)钢管支撑,外坑支撑等效长度12郾0m,内坑支撑等效长度8郾0m,所有支撑水平间距均为6郾0m,支撑物理性质参数如表4所示。表2~表4中直接参数取自该项目工勘报告,间接参数由直接参数根据理论公式换算得到。典型断面基坑土体开挖工况共7个,采取先撑后挖的开挖方式,每次开挖深1度到达下一支撑位置超挖m,取20kPa。有限元计算模型见图1m,坑外超载距离地连墙

2。

图2摇有限元计算模型

摇

表3摇地下连续墙物理力学参数

C30轴向刚度土厚混凝/mm/(EA抗弯刚度泊松比800/(kN600

2郾(kN/m))1郾4伊1070郾/m2(/EIm))8伊107

0郾128伊10054伊1077

0郾0郾167167

表4摇支撑物理力学参数

支撑类型特性轴向刚度泊松比钢筋混凝土弹性(EA支撑间距3伊10)/kN7(Ls6)/m

准609mm钢管

弹性

1郾21伊10

7

6

0郾0郾167150

4摇内坑坑背系数茁敏感性分析

以图2的基本模型作为参照,对表1选取的不同内坑开挖深度h进行有限元数值模拟计算,根据土体分步开挖卸载的计算结果,系统分析内坑坑背系数茁变化对外墙侧向位移、内墙侧向位移、内坑坑底竖向位移、外坑坑底竖向位移、外坑坑背竖向位移产生的影响。

4郾1摇内坑坑背系数茁对外墙侧向位移的影响

图3为不同内坑坑背系数变化情况下的外墙最终侧移曲线。外墙墙身最大侧移随内坑开挖深度增加而增大,即随内坑坑背系数增加而增大(图4),内坑开挖28郾深度342mm,m时而内坑开挖深度(即内坑坑背系数12m0郾时125)(即内坑坑背系数外墙最大侧移

外墙最大侧移位置随内坑坑背系数增大而下移0郾75)外墙最大侧移增大至38郾00mm,增大34郾08%(图。

5),深度位置内坑坑背系数,当内坑坑背系数增大到0郾125时,最大侧移发生在0郾75时,最大侧移15郾33m

位置发生在17郾33m深度位置,下移了2郾0m,位置由外坑坑底以上下降到坑底以下。内坑坑背系数对墙身最大侧移以上的侧移影响较小,而下部侧移影响显著,下部具有相似的侧移趋势(图3、图4),而外墙墙顶侧移受内坑坑背系数影响甚微(图5)。

图3摇外墙侧向位移曲线

图4摇外墙最大侧向位移值

图5摇外墙最大侧向位移位置

分析可知:内坑土体能为外墙提供被动土压力,随着内坑土体卸载,被动土压力减小,外墙侧移增大,但在外坑底面以上,因内支撑作用使外墙侧移受到限制。4郾2摇内坑坑背系数茁对内墙侧向位移的影响

内坑坑背系数变化对内墙侧移影响很大(图6),由于内坑开挖深度增大,导致内墙侧移整体随内坑坑0郾背系数增加而增大75时,内墙墙身最大侧移从(图7)。茁14郾从100郾125mm逐渐增加到

逐渐增大到摇

摇

摇

第4期侯新宇,火映霞,薛必芳—内坑坑背系数对坑中坑基坑变形影响的敏感性分析

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35郾逐渐增大到80mm,增加20郾00153郾mm,95%增加,内墙墙顶侧移从41郾97%,而墙角侧移变化

14郾10mm不大(图7)。

图6摇内墙侧向位移曲线

图7摇内墙最大侧向位移值

内墙最大侧移位置随内坑坑背系数增大而呈线性下降(图8),内坑开挖深度12m(茁=0郾75)时,内墙最大位移处于深度9郾75m位置处。内墙墙顶竖向位移0郾随内坑坑背系数增大而减小,茁从0郾125逐渐增加到

18郾7518时mm,,内墙墙顶竖向位移从减少60郾82%(图9)。

46郾39mm逐渐减小到图8摇内墙最大侧向位移位置

4郾3摇内坑坑背系数茁对内坑坑底竖向位移的影响

由图10可知:内坑坑底竖向隆起有随茁增大而微弱减小的趋势。茁较大时,内坑坑底在内墙内侧附近出现轻微局部隆起,分析是因为茁较大时内墙侧移较大,挤压内坑底部土体所导致。

图9摇内墙墙顶竖向位移值

摇

4郾4摇内坑坑背系数茁对外坑坑底竖向位移的影响

外坑坑底竖向位移总体随着内坑坑背系数增大而减小(图11、图12),但幅度较低。外坑坑底最大竖向位移位置出现在内墙外边缘和外墙内边缘,随着距离外墙接近,内坑坑背系数对对外坑坑底竖向位移影响逐渐减弱,到达外墙边缘已经几乎无影响,但外墙边缘依然出现显著的局部隆起,分析仍然是由于外墙侧移对土体挤压导致。

图10摇内坑坑底竖向位移曲线

摇

图11摇外坑坑底隆起曲线

摇

4郾5摇内坑坑背系数茁对外坑坑背竖向位移的影响(图13),外坑坑背土体在坑中坑最终开挖产生显著沉降

坑坑背沉不同内坑坑背系数对应的沉降曲线相似降随内坑坑背系数增大而增大。茁,外0郾从

43郾12514)。

77逐mm渐逐渐增大到增加到0郾7554郾时71,外mm,坑增加约坑背最25郾大沉0%降(从图摇

摇

摇

90

铁道标准设计第60卷

图12摇外坑坑底最大隆起位置

摇

图13摇外坑坑背沉降曲线

摇

图14摇外坑坑背最大沉降位置

摇

5摇结摇语

通过对基本模型条件下的坑中坑开挖进行数值模拟分析发现,在苏州典型粉质黏土地质条件下,内坑坑背系数茁变化坑中坑支护结构和土体的变形均产生不同程度影响0郾(1)外墙侧移随内坑坑背系数,得出如下结论。

茁增加而增大,侧移位置由125增大到15郾0郾3375,m外墙最大侧移增加深度处下移至17郾34郾3308%m深度处,最大茁由

,下移了2郾0m,位置由外坑坑底以上下降到坑底以下。

茁对外坑底面附近以上的外墙墙身侧移影响较小,而对坑底以下侧移影响显著,且坑底以下具有相似的侧

移趋势。

153郾大,茁(2)从0郾内墙侧移受125增加到茁0郾影响显著75,内墙墙身最大侧移增加

,整体随茁增加而增

不大95%。内墙最大侧移位置随,内墙墙顶侧移增加茁41郾增大而下移97%,墙脚侧移变化。内墙墙顶竖向位移随茁增大而减小,茁从0郾125增加到0郾75,内墙墙顶竖向位移减少时,坑底在内墙内侧附近出现轻微局部隆起(3)内坑坑底隆起随60郾82%茁增大而微弱减小。

。

。茁较大大隆起位置出现在内墙外边缘和外墙内边缘处(4)外坑坑底隆起整体随茁增大而轻微减小,。随着最

距离外墙接近,茁对对外坑坑底竖向位移影响逐渐减弱,外墙边缘出现局部隆起(5)外坑坑背沉降总体随。值对应的沉降曲线相似。茁增大而增大,但不同茁

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