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武汉轨道交通名都车站深基坑有限元分析
发布日期:2017-10-18 23:20
武汉轨道交通名都车站深基坑有限元分析
 
要:为了保证地铁站深基坑的顺利施工,需要分析基坑土层压力对围护结构的影响。在武汉地铁名都站设计时,采用 MIDAS - GTS 岩土计算软件对深基坑受力情况进行了有限元模拟分析。通过对深基坑的水平位移、沉降、钻孔桩内力及支撑轴力等的分析,论证了基坑施工过程的安全性和稳定性。实际施工监测资料表明,监测数据与数值模拟结果一致,说明有限元分析可以作为设计分析的一种有效手段。
关键词: 深基坑; 地基沉降; 有限元分析; 地铁车站; 武汉地铁
 
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      地铁车站施工,在场地条件有利的情况下,通常采用明挖顺作法施工。明挖施工引起的基坑围护结构安全问题是车站土建施工的重点问题。在进行基坑分析时,国内许多设计单位采用的是理正深基坑软件,软件的分析方法实质就是荷载结构法。有限元分析软件提供了另一种分析模式———地层荷载法,可以较为真实地模拟土层压力对围护结构的作用。本文利用有限元计算软件对武汉轨道交通 2 号线名都车站基坑开挖过程进行了模拟计算。
      名都站位于武汉市虎泉街与雄楚大街交叉口,该站主体围护结构采用 C30 混凝土钻孔灌注桩,桩径1 000 mm,桩间距 1 300 mm,3 道内支撑采用 Ф600 的钢管支撑,支撑间距 3. 9 m,围檩采用Ⅰ45b 组合钢围檩。
 
2 有限元分析
2. 1 岩土物理力学参数
      根据地质详勘报告,该站地层岩性为: 第四系近代人工填土层( Qml) 、第四系中更新统冲积层( ) 、冲洪积层( ) ,岩性为粉质黏土( 10 - 1) 、黏土( 10 -2) 、黏土( 10 - 3) ,车站底板位于黏土层中; 下伏基岩为三叠系下统大冶组灰岩( T1d) 。施工场地地下水主要为上层滞水和岩溶裂隙水。基坑岩土及结构材料物理力学参数建议值见表 1。

2. 2 有限元计算软件及模型
      数值模拟计算采用 MIDAS - GTS 软件。岩土破坏准则为摩尔库仑准则。模型左右边界距离基坑边界50 m,底部边界距基坑开挖底线 51. 6 m。左右边界约束水平位移,底部边界约束竖直位移,上部为自由边界。建模时,土层采用平面单元模拟,钢支撑采用嵌入式桁架单元模拟,钻孔桩采用梁单元模拟。基坑深度18. 4 m,为一级基坑,钻孔桩嵌入深度 5. 5 m。模拟施工过程为: ① 施工钻孔桩并平衡初始地应力场; ② 开挖第 1 部分土层; ③ 施工第 1 道钢支撑; ④ 开挖第 2部分土层; ⑤ 施工第 2 道钢支撑; ⑥ 开挖第 3 部分土层; ⑦ 施工第 3 道钢支撑。有限元网格剖分及具体施工次序见图 1,2。

2. 3 计算结果分析
2. 3. 1 施工完成时围护结构内力分析
      通过有限元计算得到基坑开挖完成时的钢支撑、钻孔桩内力见图 3 ~6。

      由图 3 ~6 可知:
      ( 1) 施工完成时,第 2 道钢支撑轴力最大为- 2 573. 0 kN,其次为第 3 道钢支撑,第 1 道钢支撑轴力最小。
      ( 2) 施工完成时,钻孔桩最大轴力为 -1 151 kN,最大弯矩为 -3 708 kN·m,最大剪力为 - 1 279 kN,均发生在土岩分界面处。说明钻孔桩在土岩分界处产生了应力集中,此处为桩身设计的控制截  面,同时也说明桩端嵌岩深度对桩身受力具有较大影响。
2. 3. 2 施工过程中钢支撑内力变化
      施工过程中钢支撑内力变化规律见表 2 及图 7。

      由表 2 及图 7 可知在基坑施工过程中,第 1 道钢支撑轴力变化最为平缓且较小,第 2,3 道钢支撑轴力变化较为急剧。因此,在施工过程中应重点监测第 2,3 道钢支撑受力情况。
2. 3. 3 基坑开挖位移分析
      施工完成时基坑开挖引起的水平和竖直位移具体情况见图 8 ~11。

      由图 8 ~11 可知:
      ( 1) 施工完成时,基坑开挖引起的地表沉降最大值为 12. 3 mm,发生在距离基坑边界 9 m 处,底鼓最大变形为 16. 9 mm,都控制在规范要求的范围内。
      ( 2) 施工完成时,基坑开挖引起的钻孔桩水平位移最大值为 15. 4 mm,发生在第 2,3 道钢支撑之间,水平位移能满足规范要求。
 
3
      目前,名都车站主体结构已经封顶,基坑施工过程安全、顺利。根据施工现场监测的数据,计算断面处基坑累计水平位移为 16. 0 mm,累计地表沉降为 8. 6mm。通过与监测数据的对比分析,可得到以下结论。
      ( 1) 监测数据与数值模拟结果较为一致,在进行基坑设计时有限元分析可以作为一种有效的手段。
      ( 2) 通过有限元分析,在嵌岩条件下,名都基坑采用排桩 + 内支撑的围护结构方案,可以满足基坑施工过程中的安全性和稳定性要求。
      ( 3) 钻孔桩内力分布特点与实际情况较为吻合,但在嵌岩位置由于应力集中而引起最大弯矩,在今后的深基坑嵌岩桩设计时,应对桩的配筋进行优化设计。
 

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