软土地基坑中坑支护体系温度效应的数值分析.pdf

第 59 卷第 3 期2023 年 5 月地质与勘探GEOLOGY AND EXPLORATIONVol.59No.3May，2023软土地基坑中坑支护体系温度效应的数值分析陈林靖，罗一鸣，戴自航（福州大学，土木工程学院，福建福州350108）摘要 环境温度变化导致基坑支护结构内支撑轴力和变形过大的问题不容忽视。本文以福州地铁6号线潘墩站坑中坑工程为例，选取该基坑代表性区段采用ABAQUS程序及邓肯-张模型对其开挖和支护全过程进行三维有限元模拟，并将分析结果与现场部分监测数据进行对比，验证了所建模型及其材料参数取值的可靠性。同时，利用所建模型着重分析当地可能的季节或昼夜温差变化幅度内支撑轴力及围护墙水平位移的变化规律。结果表明：基坑开挖完成后，温度变化时支撑轴力与温度呈线性相关关系，轴力变化主要体现在内外坑的首道支撑上，此时围护结构整体向坑内或坑外运动，且地连墙侧移受温度影响范围主要集中在基坑开挖深度以上。不同开挖阶段的温度变化引起的温度效应相差较大，潘墩站最不利工况发生在最后一道支撑架设完毕后，此时地连墙水平位移增量及轴力变化幅度最大，温度效应最明显。该研究成果对类似软土基坑工程具有重要的理论和实践意义。关键词坑中坑温度效应现场监测数值分析潘墩站地铁6号线福州中图分类号TU447文献标识码A文章编号0495-5331（2023）03-0637-10Chen Linjing,Luo Yiming,Dai Zihang.Numerical analysis of temperature effect on retaining systemforpit-in-pitexcavationengineeringinsoftsoilgroundJ.GeologyandExploration,2023,59(3):0637-0646.0引言近年来随着地下空间的广泛开发（王永军等，2018；易荣和贾开国，2020），建筑结构的综合功能越来越多样化（Leung and Ng，2007；庄海洋等，2016），出现了基坑中又嵌套基坑的坑中坑形式（Moormann，2004；Liu et al.，2005；张国碧等，2016）。这种基坑形式土体应力场分布及开挖路径变化更为复杂（Long，2001；申明亮等，2010；熊中华，2013；韩同春等，2018），需要结构自身具备足够的可靠性，同时也对周边环境的影响更为敏感（丰土根等，2013；杨幼清等，2020）。目前国内外对坑中坑结构进行了诸多研究，通过数值分析发现邻近隧道施工对地层变形的影响明显大于内坑施工对地层变形的影响（宫志群等，2018），内坑开挖会降低基坑整体稳定性（杨才等，2019；朱兴云等，2020；李惠霞等，2021）。针对上述工况，季大雪（2016）、侯新宇等（2017）分析了内坑开挖中坑趾系数、内坑深度与内外支护结构间距比等因素对支护结构受力变形的影响。李少波（2019）认为，地铁坑中坑基坑工程的规模一般较大，基坑施工往往需要跨季节完成，季节交替及昼夜温差必然导致温度的大幅变化。基坑规范中规定基坑施工设计时应考虑季节变化等因素（住建部，2012）。目前已有学者提出了考虑支撑-围护结构-土系统刚度影响的支撑温度荷载计算方法，基坑中锚杆的受力与变形和温度变化之间的关系以及温度对基坑各围护结构性状的影响规律（Hashash et al.，2003；Nasser，2009；尹寒青，2016；罗川疆，2019）。综上，国内外学者已开展温度应力对基坑支护结构的应力和应变的影响研究，但其并未对坑中坑这种复杂的基坑形式进行研究，并且支撑形式均较为单一，因而有必要对高温差下坑中坑基坑的温度效应进行相关研究。本文将以福州地铁六号线潘陈林靖收稿日期2021-06-29；改回日期2022-05-12；责任编辑郝情情。基金项目中铁十一局集团第四工程有限公司横向项目（编号：00502132）。第一作者陈林靖（1983年-），女，副教授，2009年毕业于福州大学，桥梁与隧道工程专业，获博士学位，主要从事岩土工程相关的研究工作。E-mail：。doi:10.12134/j.dzykt.2023.03.014637地质与勘探2023 年墩站项目为依托，采用有限元法建立数值模型，并结合实测数据，探究软土地基不同温度变化及不同开挖路径下坑中坑围护结构水平位移及支撑轴力的变化规律，为季节性温差大、需要跨季施工的软土坑中坑的设计和施工提供参考。1工程概况在建的潘墩站（原会展中心站）为福州市地铁六号线的第一个车站，车站位于仓山区潘墩路与林浦路的交叉口，沿林浦路东西向布置，地下三层岛式车站。主体采用明挖顺作法施工，两端区间采用盾构法施工。基坑总长205.7 m，宽16.433.2 m，基坑开挖深度约为 22.5624.16 m。项目实景相片如图1所示，基坑平面如图2所示。图1福州市潘墩站位置实景相片Fig.1Photograph showing the location of the Pandun station in Fuzhou City2三维有限元模型的建立2.1模型的建立模型的建立本文主要选定图2所示B区宽36 m的矩形范围进行分析，该区域属于典型的坑中坑式非对称结构形式，外坑选用850 SMW工法桩+内支撑的围护结构形式，内坑选用1 m厚地下连续墙（兼作抗浮）+内支撑的围护结构形式。图2基坑平面示意图Fig.2Diagram of the foundation pit当基坑边缘至模型边界的距离大于5h（h为基坑开挖深度），边界条件对计算的影响可以忽略不计。取模型水平方向外边界到工法桩止水帷幕外侧为120 m，结合基坑情况建立一个宽高长（即沿 X、Y、Z 方向）为 272.7 m80 m36 m 的土体模型。数值模型剖面示意图如图3所示。而对于SMW工法桩，将其按等效刚度原则折算成厚度为t的地下连续墙，折算厚度由式（1）进行计638陈林靖等：软土地基坑中坑支护体系温度效应的数值分析第 3 期算（刘国彬和王卫东，2009）：t=0.838DD()D+L1 3（1）式（1）中，D为围护桩直径，mm，L为围护桩净间距，mm，计算得t=600 mm。图3数值模拟剖面图Fig.3Section of the numerical simulation2.2定义材料属性定义材料属性根据工程勘察报告，场地地层自上而下为：杂填土、黏土、淤泥、淤泥质黏土和粉质黏土。其中杂填土采用摩尔-库伦模型模拟，其余土层采用考虑卸载模量显著大于加载模量适用于基坑开挖卸载模拟的邓肯-张（Duncan-Chang）E-本构模型。软土的邓肯-张模型参数取值参考福州地区土层参数（陈林靖等，2015），如表1所示，同时针对邓肯-张模型未考虑中主应力2的影响这一缺点，采用Bishop建议的公式对内摩擦角进行修正，以考虑2对强度与变形的影响。表1土的邓肯-张E-模型参数Table 1Soil parameters of the Duncan-Chang E-model参数KnRfC(kPa)0()p()GDFKurPa(kPa)()黏土115.840.690.8315.3430.4331.840.4722.820.0765276.861000淤泥127.610.610.877.5028.1529.430.4132.880.0749418.561000淤泥质黏土186.480.560.8518.3331.2732.720.3873.260.0716535.201000粉质黏土195.670.540.8417.2132.1233.610.4073.510.0803371.771000对于SMW工法桩，将其简化等效成地下连续墙后，刚度按式（2）进行折减：E=EPd+Es()s-ds（2）式（2）中，Ep为桩的弹性模量，GPa；Es为土体等效弹性模量，GPa；s为桩中心间距，mm；d为桩径，mm。工法桩采用P42.5级硅酸盐水泥，经计算后E=32.5 GPa。杂填土及支护结构材料参数见表2。2.3定义约束定义约束、荷载及边界条件荷载及边界条件模型两侧边界设定为固定孔压边界，并限制径向位移（X方向），模型顶面为自由边界而模型前后边界设定为不透水边界，并限制径向位移（Z方向），模型底部设置为不透水边界并限制三向位移。表2杂填土及支护结构材料参数Table 2Material parameters of miscellaneous fill and retaining structures名称杂填土SMW工法桩地下连续墙混凝土支撑钢支撑连系梁立柱桩本构模型摩尔-库伦线弹性线弹性线弹性线弹性线弹性线弹性天然密度(kg/m3)1800210025002780785023002440弹性模量E(MPa)43250028000250002100002800025000粘聚力C(kPa)10内摩擦角()15膨胀角()7.5泊松比0.30.180.1670.20.280.180.212.4网络划分及单元类型网络划分及单元类型对临近基坑1.5h（h为基坑开挖深度）范围内的土体采用较密的网格，离基坑越远网格越稀疏，模型共划分36794个单元，46595个结点，模型网格如图4所示。639地质与勘探2023 年图4模型网格划分示意图Fig.4Mesh generation of the model3有限元模型的验证有限元模拟的验证发现，数值计算与有限距离内的实测曲线相似，均在距基坑边约18 m处沉降量最大（图5a）。总的来说，数值计算比实测的偏小，主要是因为数值模拟未考虑基坑边施工车辆和施工围挡外路面车辆荷载对基坑沉降的影响。图5b中，Smax为地表沉降最大沉降量，mm，He为基坑开挖深度，mm（此时取He=23m）。该软土超深基坑地表沉降极大值点出现在距基坑边缘0.7He0.9He之间，这一结果小于统计数据（1.5He）（Tan and Wang，2013），略大于预测的 0.5He（Ou et al.，1993）。当距基坑边距离大于0.8He时，地表沉降值急剧减小，直到坑外距大于2.2He时进入次要影响区，沉降量缓慢减小。该超深基坑地表沉降影响范围（3.3He）远大于报道的沉降范围（2.0He）（Clough and Orourke，1990）。显然，较宽的影响范围主要是源于更大的基坑尺寸和开挖深度。图5最终地表沉降值与基坑边距离的关系Fig.5Relationship between final settlement and distance from the pit edgea-最终地表沉降值的模拟值与实测值；b-无量纲化后的地表沉降值与经验方法对比a-simulated and measured values of final settlement；b-comparison of dimensionless surface settlement values and empirical method综上，该深基坑模型建立及计算参数选取是合理的，能较好地模拟基坑土体在边降水、分步开挖和支护工况下的变形情况，故可以进一步进行基坑支护体系温度效应的分析。4基坑温度效应有限元分析为了模拟基坑环境温度的变化，上述模型开挖到底板分析步的预应力中以温度T=20作为标准参考为初始温度，除此之外，在数值模拟中本文将钢筋混凝土的热膨胀系数取其中间值 c=1.010-5/。针对上述模型，考虑福州地区全年气温主要可能的变化幅度，计算中考虑在T=20的基础上升温10、20、30和降温10、20五种环境温度情况下分析支撑轴力及工法桩和地连墙水平位移的温度效应。4.1不同温度下的效应不同温度下的效应（1）支撑轴力不同温度下支撑轴力值见表3，可见六道支撑的轴力均与温度成线性相关关系。当T=50时，六道支撑的轴力分别增加了430.4 kN、278.2 kN、116.5kN、11.0 kN、25.9 kN、307.7 kN，分别相当于 T=20640陈林靖等：软土地基坑中坑支护体系温度效应的数值分析第 3 期