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地铁深基坑支护结构受力变形特性研究
发布日期:2017-07-24 22:01
无锡地铁深基坑支护结构受力变形特性研究
 
摘  要:地下工程的建设对无锡地区深基坑的设计、施工和监测技术提出了重大挑战。无锡地区尚无本地区的基坑工程设计规范,而且在深基坑的实践过程中也不时发生基坑倒塌、围护结构位移过大、基坑漏水等事故。针对无锡地区独特的地质条件,分析了深基坑支护结构的受力变形特性,探讨适合无锡地铁基坑支护结构的计算方法。结合无锡地铁一号线市民广场站基坑监测数据,总结了地下连续墙的变形规律,并对无锡地区地基水平抗力比例系数 m值进行反演,确定了合理的计算参数,为今后无锡地区的地铁基坑设计提供了参考依据。
关键词: 无锡地铁基坑; 基坑支护结构; 受力变形特性; m 值; 反分析
 
1
      近年来,随着无锡市城市化进程的加快,经济和人口的快速增长,越来越显现出日益突出的城市客运需求与交通相对滞后的矛盾,为缓解交通压力,完善轨道交通,更多的地铁基坑大量涌现。而随着地铁的建设,深度大且周边环境复杂的基坑越来越多。地下工程的建设对无锡地区深基坑的设计、施工和监测技术提出了重大挑战。无锡尚无本地区的基坑工程设计规范,而且在深基坑的实践过程中也不时发生基坑倒塌、围护结构位移过大、基坑漏水等事故1。无锡吉祥大厦曾出现过地面沉陷、深基坑涌砂等险情,严重影响了工期,主要原因是施工场地地质情况复杂,围护桩设计不合理,没有考虑杂填土层的厚度,没有考虑存在旧河床、石驳岸、老房基等废弃物的复杂地质情况。无锡地处太湖之滨,为长江三角洲冲积平原,区内地貌类型主要为冲积湖和湖沼积平原,地势低平,地质条件有其独特性。平原地区第四纪地层厚度一般达100 ~ 300 m,为一套多层状结构组成的松散沉积物。其间夹有不同时期形成的湖沼相、海相软土层和古河道相松散砂层,在剖面上岩相变化大2。因此,针对无锡地区独特的地质环境,分析深基坑支护结构的受力变形特性以及研究其计算理论显得十分必要。
 
2 适合于无锡地区地铁基坑围护结构的计算方法
      无锡地区土质为典型的饱和软粘土,目前在该地区对于开挖深度小于6. 0 m 的基坑,若能解决水平放坡距离( 周边环境较好) 和坑底抗隆起两个问题,80%以上基坑采用土钉墙及各种形式的复合土钉支护,而对于开挖深度大于 7. 0 m 的深基坑,传统的支护形式是排桩加两道内支撑支护形式3。无锡市轨道交通一号线车站的基坑墙体形式包括:地下连续墙、钻孔灌注桩、SMW 工法,其中以地下连续墙为主。本文主要对地下连续墙的受力变形特性及其计算方法进行分析。地下连续墙作为基坑围护结构,其内力和变形计算方法应用最多的是平面弹性地基梁法,该方法计算简便,可适用于绝大部分常规工程,且在理论上已有较多的发展。实用方法有“K”法、“m”法、“c”法等。现有设计经验表明如能适当选取经验数据,采用弹性地基梁法可得到较为理想的结果,目前的规范大都建议采用这几种方法。弹性抗力法已作为支护结构位移和内力计算的推荐方法被多本规范( 指南) 采用。由弹性抗力法建立的深基坑计算分析方法能较好地模拟基坑开挖过程4,在实际工程中得到广泛应用。上海基坑规范指出板式围护墙的内力和变形宜采用竖向弹性地基梁法计算5。其中 m 法适用于以下两种情况:
      ( 1) 适用于软土、一般粘性土、砂性土以及底部嵌岩的情况。
      ( 2) 适用于挡土结构变形较小的情况,原因是m 法实质上以虎克定理为基础,在结构变形较大的情况下,挡墙内侧有可能达到或在一定程度上达到被动状态,所以水平荷载桩的横向抗力的概念将不再适用6
      对于截面刚度较大的地下连续墙结构,采用 m法计算更为合适一些。借鉴已有的理论和经验,本文采用 m 法来计算分析无锡地铁基坑地下连续墙的受力和变形。
 
3 无锡地铁深基坑围护结构变形特征
      本文选取无锡地铁一号线市民广场站基坑的实测数据进行分析,总结地下连续墙的变形特点和实际变形规律。
3. 1 无锡轨道交通一号线工程地质情况
      无锡地铁一号线沿线经过以前大多为第四系全新统至下更新统的松散沉积物覆盖的 100 m 地段,局部地段揭示,下伏基岩为泥盆系碎屑沉积岩、二叠系灰岩。按各岩土层的物理力学性质、沉积环境、成因类型,可划分 11 个工程地质层,26 个工程地质亚层。各个工程地质层的详细信息如下:
      ( 1) 第①工程地质层( 人工填土) : ①1杂填土、①2素填土;
      ( 2) 第②工程地质层: ②1淤泥层( 第一软土层) 、②2粉质粘土( 第一软土层) ;
      ( 3) 第③工程地质层: ③1粘土( 第一硬土层) 、③2粉质粘土、③3粉土夹粉质粘土;
      ( 4) 第④工程地质层: ④粉砂;
      ( 5) 第⑤工程地质层: ⑤粉质粘土( 第二软土层) ;
      ( 6) 第⑥工程地质层: ⑥1粘土( 第二硬土层) 、⑥2粉质粘土、⑥3粉土;
      ( 7) 第⑦工程地质层: ⑦1粉质粘土、⑦2粉砂、⑦3粉质粘土;
      ( 8) 第⑧工程地质层: ⑧1粉质粘土、⑧2a粉质粘土夹粉土、⑧2b粉土夹粉质粘土、⑧3粉质粘土、⑧4粉砂、⑧5粉质粘土;
      ( 9) 第⑨工程地质层: ⑨1粘土夹粉质粘土、⑨2粉砂夹细砂、⑨3粉质粘土;
      ( 10) 第⑩工程地质层: ⑩1粘土夹粉质粘土;
      ( 11) 第瑏瑡工程地质层: 含碎石粘土。
      水文地质情况为: 上层滞水主要存在于浅部粘性土中,埋深在地面下 0. 50 ~1. 00 m,主要赋存于浅部①1、①2填土层中,潜水稳定水位为地面下1. 50 m左右,微承压水主要赋存于③3粉土夹粉质粘土层及④粉砂层中,其稳定水位为地面下 1. 50~ 2. 00 m。第Ⅰ承压水主要赋存于⑥3粉土、⑦2粉砂、⑧2b粉土夹粉质粘土及⑧4粉砂层中,水位变化在 6 ~9 m 之间,其稳定水位在自然地面下 6. 00~ 10. 00 m。第Ⅱ承压水含水层主要赋存于⑨2细砂夹粉砂层中,其稳定水位在自然地面下 40. 0 ~45. 0 m。影响工程施工的地下水主要是沿线分布的孔隙潜水和孔隙微承压水及埋深较浅的第Ⅰ承压水。
      建设时及建成后可能遭受的地质灾害主要是地面沉降、特殊类岩土( 软土、砂土) 及地裂缝、岩溶塌陷等。
3. 2 地下连续墙实测变形数据分析
      市民广场站基坑采用明挖顺作法施工,开挖宽度 19. 3 m,开挖深度 17. 43 m。地下连续墙混凝土标号为 C35,宽度为 1 000 mm,第一道为混凝土支撑,混凝土支撑尺寸为 800 × 1 000 mm,间距为9 m,混凝土标号为 C30,第二 ~ 第四道支撑均为Ф609 mm,t = 16 mm 的钢支撑,间距 3 m。车站标准段围护结构横剖面图见图 1。

      图 2 是标准断面 CX-6 孔的监测数据分析图。墙体深层水平位移的分布规律大概可以归纳为:
      ( 1) 变形后的墙体呈“大肚状”。从整体来看,墙体的最大位移发生在最后一个开挖步,最大位移发生在墙体深度 12 ~ 16 m 处,最大位移约为25 mm。
      ( 2) 在墙体深度 5 m 至 17. 5 m 之间,墙体的变形相对较大,这一区域属于基坑开挖和施作支撑的区域,说明基坑开挖部分的墙体变形要比其他部分大一些。
      ( 3) 随着施工的进行,墙体的位移在逐渐增加,对比几条曲线,可见墙体的最大位移发生位置有向下移动的趋势。
      4) 基坑开挖面以下,墙体的变形随着深度的增加而减小,渐渐收敛。墙体末端变形基本上趋于零,说明该墙体的设计深度是合理的。
3. 3 地下连续墙变形实测值与计算值的比较分析
      将 CX-6 孔监测的墙体深层水平位移值分别与水土分算和水土合算的计算结果进行比较。将各工况下的对比值绘于图 3。

      从几个工况下的监测数据与水土分算和水土合算的计算结果对比情况来看,开始的两个开挖步,监测值与计算值较接近,随后的两个开挖步,在墙体上一部分的位移比水土合算和水土分算的计算结果要大一些,且监测位移的最大值位置比水土合算和水土分算的最大位移发生位置高,这说明墙体靠近地面的一部分位移比理论计算值大,这可能是测量的误差,也可能是支撑布置的位置不合理,可适当提高第二道支撑的位置,以减少前几步开挖的深度,从而使墙体上端的位移不太大。除此之外,从各工况的对比的情况来看,监测位移值与水土分算的数值较为接近,在实际基坑设计的时候,可以选择水土分算来计算。
3. 4 地下连续墙最大位移与开挖深度的关系
      选取无锡地铁一号线市民广场站基坑的多个断面,综合多个开挖步,分析地下连续墙最大位移hmax与基坑开挖深度 h 的相互关系,总结得到的统计规律见图 4。墙体最大位移 hmax介于 0. 045% h与 0. 3%h 之间,平均最大位移为 0. 12%h。
      在实际无锡地区地铁基坑设计的时候,可以结合基坑的设计开挖深度,参考本文总结的结果来预估墙体的最大位移值。

4 无锡地区地基水平抗力比例系数m 值反演分析
      m 法计算参数的选取是工程界的一大难题,目前 m 的取值通常由经验公式7和查表8,9来确定。一般规范都给出了 m 值的大致范围,而且每个地区的地质条件千差万别,因而 m 的取值具有很大的随意性,有必要根据一个地区的工程实测资料对m 值进行反演分析,以便为地层相近或附近地区的基坑工程设计提供参考和依据10。本文对无锡地区地基水平抗力比例系数 m 值进行反演分析,以得到合理的 m 值,为以后的无锡地区基坑工程提供参考依据。
4. 1 反分析的主要原理
      ( 1) 目标函数: 将基坑开挖分析方法和非线性优化方法相结合,建立地基土 m 值的直接位移反分析方法,通过不断修正给定初值,使现场实测值和计算值的差异达到最小,从而获得与实际情况相适应的能综合反映土体实际工作性状的 m 值。为了使计算值从整体上尽可能与全部实测值接近,要求两者偏差的平方和最小,故目标函数可写为:
     
式中: ui为支护结构上测点 i 的水平位移计算值; 为支护结构上测点 i 的水平位移实测值; N 为测点总数。
      ( 2) m 值的合理选取: 实际上 m 值的选取受土层性质的影响,大多有关规程都给出了 m 值的变化区间,即 m 值存在如下的约束条件:
      mi,min≤ mi≤ mi,max         i = 1,2……n
式中: mi,min和 mi,max分别是土层参数 mi值的上下限值,这样式和式就组成一个复杂的非线性规划问题。在本文中均取 mi,min= 1 000 kN / m4,mi,max= 10 000 kN / m4,当 m 值超过上下限值时则取相应的上下限值,n 为土层数。采用加速单纯形优化方法,以搜索步长来控制收敛精度,最终控制步长为。
      ( 3) SimPlex 优化方法: 使目标函数极小化的土层参数 ml、m2、m3. . . . . . . mn即为待求的参数:
      minf( m1,m2,m3,……,mn)
      上式是一个无约束最优化问题,对其进行求解的优化方法很多。通过限制 m 的取值范围,上式就成为一个非线性的优化问题。由于 f 的导数无法直接求得,因此采用无导数搜索法———加速单纯形法是合适的,其基本方法为先给定一组参数初值,按一定规则形成初始单纯形,再通过步长搜索得到最优值,收敛精度以搜索步长来控制,具体的求解过程可参见有关文献。
      ( 4) m 值反分析的基本步骤: ①根据土的类别初步确定地基土水平抗力系数 m 的初值; ②由确定的 m 初值,通过建立的模型计算某一工况下支护结构的水平位移; ③由计算得到的水平位移和相应的实测水平位移建立目标函数; ④选用优化算法,通过迭代逐次改进 m 值,求目标函数的极小值。采用单纯形法,迭代终止以满足单纯形法收敛精度为标准,对应的 m 值即为反分析优化结果。
     本文利用同济启明星软件的反分析模块对无锡地铁一号线市民广场站基坑土体的 m 值进行反分析。
4. 2 市民广场站地基土 m 值反演分析
      此处对无锡地铁一号线市民广场站的地基土m 值进行反演分析。选择测斜孔号为 CX-6、CX-10、CX-12 处的基坑断面,对地下连续墙的计算参数进行反分析,因为采用的是弹性地基梁法来计算墙体的受力和变形,因此主要反演弹性地基梁的主要计算参数 m 值。各层土体的初始 m 值由《建筑基坑支护技术规程》( JGJ 120—99) 推荐的经验公式计算得出。工况信息见表 1。

      从表 2 可知,根据反演分析,③1粘土、③2粉质粘土、③3 - 1粉质粘土、③3粉质粘土夹粘土的 m值分别为 5. 22、4. 55、6. 35、6. 85 MN/m4,即第三层土的平均 m 值为 5. 37 MN/m4,按规范公式计算的m 值分别为 4. 82、5. 17、5. 95、4. 27 MN / m4,平均为5. 31 MN / m4,可见反演值与规范值比较接近,而勘察报告给出的 m 值分别为 30. 00、20. 00、16. 00、10. 00 MN / m4,平均为 22. 00 MN/m4,与反演值和计算值都相差比较大。
      ⑥1 - 1粘土、⑥1粘土、⑥2粉质粘土、⑥3 - 1粉质粘土夹粘土、⑥3粉土的 m 值分别为 5. 55、6. 00、3. 61、8. 23、5. 15 MN / m4,即第六层土的平均 m 值为 5. 70 MN/m4,按规范公式计算的 m 值分别为5. 48、5. 18、5. 37、4. 73、4. 75 MN / m4,平均为 5. 10MN / m4,可见反演值与规范值比较接近,而勘察报告给出的 m 值分别为 30. 00、45. 00、25. 00、16. 00、25. 00 MN / m4,平均为 28. 20 MN/m4,与反演值和计算值都相差比较大。
      ⑧1粉质粘土、⑧2 - 1粉土的 m 值分别为 8. 34、4. 99 MN / m4,即 第 八 层 土 的 平 均 m 值 为6. 67 MN / m4,按规范公式计算的 m 值分别为7. 70、4. 61 MN / m4,平均为 6. 15 MN/m4,可见反演值与规范值比较接近,而勘察报告给出的 m 值分别为25. 00、35. 00 MN / m4,平均为 30. 00 MN/m4,与反演值和计算值都相差比较大。
      综上所述,根据反演分析,第三层土的平均 m值为 5. 37 MN/m4,第六层土的平均 m 值为 5. 70MN / m4,第八层土的平均 m 值为 6. 67 MN/m4。反演分析所得 m 值与按规范公式算出的 m 值比较接近,而与勘察资料所给的m 值相差较大,因此,在设计计算时可以借鉴规范所给公式来确定 m 值,进行初步计算分析。
 
5
      ( 1) 结合市民广场站实测数据,总结了墙体变形规律,并将实测值与计算值做了对比分析,发现监测位移值与水土分算的数值较为接近,在实际基坑设计的时候,建议选择水土分算来设计计算。
      ( 2) 墙体最大位移 hmax介于 0. 045% h 与0. 3% h之间。平均最大位移为 0. 12% h。在实际无锡地区地铁基坑设计的时候,可以结合基坑的设计开挖深度,参考本文总结的结果来预估墙体的最大位移值。
      ( 3) 据反演分析,第三层土的平均 m 值为5. 37 MN / m4,第六层土的平均 m 值为 5. 70 MN/m4,第八层土的平均 m 值为 6. 67 MN/m4。反演分析所得 m 值与按规范公式算出的 m 值比较接近,在设计计算时可以借鉴规范来确定 m 值,进行初步计算分析。
 
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