中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063
摘要：在城市轨道交通建设中，地铁基坑往往与周边建筑相邻，地铁基坑开挖过程中对周边相邻建筑的变形及受力分析至关重要。本文结合工程实例，采用plaxis有限元软件进行数值模拟，分析和总结了地铁基坑在开挖过程中的自身变形规律、以及基坑开挖对邻近桩筏基础建筑在沉降、水平位移等特性方面的变形规律；并根据计算结果和分析总结，提出了合理的基坑支护参数和建筑物周边土体的加固措施，确保了邻近桩筏基础建筑物的安全使用。
关键词：地铁基坑；数值模拟；桩筏基础；沉降；水平位移；措施
1 引言
因地铁工程往往位于城市密集区的特点，地铁深基坑工程受周边环境的诸多因素制约。在地铁基坑设计与施工的过程中，首先应采取合理的支护措施去控制基坑变形，保证基坑本身的安全与稳定；同时还要根据周边建筑的不同特性，采取有效合理的保护措施，控制基坑周边地层位移，保证周边的构筑物在变形、倾斜、沉降等各项控制指标满足建筑物的使用要求。
本文采用Plaxis有限元软件，对邻近桩筏基础建筑的地铁基坑支护、开挖进行数值模拟[1]分析，对基坑自身和桩筏基础的变形及沉降进行分析[2]，并且通过模拟的结果提出合理的工程措施方案，以减小地铁基坑开挖对相邻桩筏基础建筑的影响。
2 工程概况
郑州某地铁车站为地下两层岛式车站，基坑深度约16.5m，围护结构主要采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩+内支撑的支护形式，拟建车站与省眼科医院建筑相临，该建筑采用桩筏基础，地上7层。基坑支护形式、及其断面关系如图1所示。
场区覆盖层主要为第四系全新统(Q4)地层，基坑深度范围内的地层主要为：杂填土、砂质粉土、粘质粉土、粉质粘土；基底处的土层主要为粉质粘土、砂质粉土。
图1 拟建项目与建筑平面关系图
3 数值模型的建立
3.1 模型建立
本文利用Plaxis2D模拟基坑开挖对邻近的8层桩筏基础医院建筑的影响进行分析。模型计算域xy=90×40m，有限元本构模型为采用HSS小应变模型[3]，采用三角形15节点单元，模型的上边界为自由边界,底部全部约束,各侧边限制向基坑方向的水平位移。模型中考虑眼科大楼的上部结构传至桩筏基础上的荷载；基坑开挖及回筑等计算工况严格按照现场施工工序进行模拟。有限元模型如图2所示
3.2 模型参数的确定
Prakoso在比较论证了采用二维平面模型代替三维模型在精度上能够满足工程要求的前提下, 并推导出了在平面应变状态下基础桩等效刚度转化公式[4,5],即:
（式1）
式中,npi为第i排的桩数；Ap为桩的横截面积；Ep为桩的弹性模量，Lr为筏板长度，B为桩径。
按照桩等效刚度转化原则，基坑围护桩和车站墙、板采用板单元来模拟，内支撑采用点对点锚杆单元来模拟，建筑桩筏基础利用公式（式1）采用板单元模拟承台和桩基。根据郑州地区类似工程经验和相关文献[6,7]中数值模拟参数取值合理性建议，本模型采用HSS小应变模型，土体参数见表1。
图2 计算模型示意图
注： －内摩擦角(°)； －粘聚力(kPa)； －容重(kN/m3)， －饱和容重(kN/m3)，Kx/Ky－水平及竖向渗透系数
3.3 计算工况
通过对工程现状的分析，为了使地铁基坑施工对相邻建筑的影响程度达到最小，将基坑与医院眼科楼中间的土体进行加固，且要求土体加固在围护桩施工前完成。同时计算中发现，基坑受相邻建筑荷载的影响，基坑存在偏压性，为调整基坑两侧围护结构的协调变形能力，第一道支撑采用混凝土支撑。根据多个深基坑监测数据发现，深基坑工程最大变形位置常常发生在基坑腹部下方的位置，故在变形最大的基坑深度范围内采取了增设支撑道数和加设换撑的措施以确保基坑和建筑物的安全。整个基坑开挖过程中采取随挖随支的设计理念，施工工序如表2所述。
4计算结果分析
4.1变形分析
通过对计算结果的分析可知，基坑开挖过程，为基坑及桩筏基础变形最大的阶段。当基坑开挖至基底时，基坑及桩筏基础水平和竖向位移如图3、图4所示。
根据计算云图可以看出，基坑周边土体水平向位移随与基坑的距离增大而减小。临建筑物一侧的基坑最大水平位移位置[8]在基坑中部偏下，基坑另一侧水平向位移发生在基坑底部，且受基坑偏压影响，基坑另一侧顶部水平向位移背向基坑发展。基坑周边土体沉降规律明显，受建筑物超载的影响，桩筏基础沉降显示出整体沉降的特性；而基坑另一侧最大沉降位移发生在局部受压处和距基坑1/3H(H基坑深度)范围内；桩筏基础受筏板连接的整体效应，筏板水平向位移差别不大，桩深处水平位移随桩深而减小。基坑和相临桩筏基础随施工步序的变化趋势曲线如图5所示：
由图4、5可知：基坑开挖过程中，周边建筑物与基坑水平变形趋势一致。桩顶及周围土体发生明显的水平位移，随着距基坑的距离增加，水平位移减小；同时由于建筑桩基的影响，水平位移沿深度明显减小。基坑开挖对临近的桩筏基础建筑的沉降影响大于水平向位移的影响。
4.2 桩筏基础建筑的安全性分析
相邻的桩筏基础建筑物的筏板随距离基坑远近竖向沉降变化趋势如图6所示，图表6中筏板位置按远离基坑侧为原点。
邻基坑最近的建筑物基础桩水平向位移和内力随桩基埋深变化趋势趋势如图7所示。
图7 桩筏基础桩水平位移分布图
随着地铁基坑的逐步开挖，虽然相邻建筑的桩基筏板发生了一定程度的沉降、和水平位移，但沉降和水平速率缓慢且一直保持在安全范围之内。其中，邻近地铁基坑侧的桩筏基础最大沉降值约11.37mm<15mm，最大水平位移约9.61mm<15mm，基坑开挖和回筑完成后，该桩筏基础在垂直于地铁基坑方向的倾斜变形11.37/18800=0.000605<0.004，桩体水平位移随埋深而减小，桩体倾斜9.61/22000=0.0004。通过数据分析可知，在通过加强基坑支护和周边土体加固等措施条件下，相邻建筑物的桩基在不均匀沉降、倾斜、水平位移等控制指标满足多层和高层建筑的整体倾斜中对于地下室结构的变形要求。
5结论与建议
本文利用Plaxis2D有限元软件对某地铁基坑开挖进行数值模拟，分析和总结了地铁基坑在开挖过程中的自身变形规律、以及基坑开挖对邻近桩筏基础建筑在沉降、水平位移等特性方面的变形规律，结果和建议如下：
1）加强支撑道数，对基坑周边土体加固可有效抑制基坑变形，对控制周边土体变形和沉降作用明显。
2）基坑因受一侧周边构筑物超载影响，基坑显偏压性作用显著，临建筑物一侧的基坑最大水平位移位置在基坑中部偏下；基坑另一侧水平向位移发生在基坑底部，同时基坑另一侧桩顶水平位移显示出倾外性。
3）在基坑开挖和回筑阶段，桩筏基础建筑物沉降和水平位移显示出整体性，不均匀沉降值和倾斜值均在允许范围之内。
4）为防止止水帷幕和围护桩施工期间造成周边土体扰动，影响建筑基础桩竖向承载能力，要求在围护桩施工前分期分段对建筑物周边土体进行加固；注浆压力及注浆参数应根据现场试验确定，防止注浆压力过大对桩筏基础的桩基四周土体扰动过大。
参考文献：
[1]刘小丽,马悦,郭冠群．PLAXIS 2D模拟计算基坑开挖工程的适用性分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2012,04:19-25．
[2]崔春义,赵颖华,孙占琦．基坑开挖对邻近桩筏基础特性影响的数值分析[J]．武汉理工大学学报,2009,31(5):65-69．
[3]Schanz T,VermeerPA, BonnierPG. The hardening soilmodel-formulation andverification[C] Beyond 2000 in Computational Geotechnics. Balkema: Amster-dam, 1999；281-296.
[4]Prakoso W A, Kulhawy F H. Contribution to Piled Raft Foundation Design[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ASCE, 2001, 117(2) :17-24.
[5]程泽海,凌道盛,陈云敏．桩筏基础在竖直荷载作用下的时间效应[J].土木工程学报, 2004,37(2):73-77．
[6]王卫东,王浩然,徐中华．基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J].岩土力学,2012,33(8):2283～2290．
[7]陈博浪．软土地基多道支撑基坑稳定性的强度参数折减有限元分析[D].浙江大学，2011．
[8]熊栋栋,曹雪山．深基坑围护墙体最大水平位移所在位置研究[J]．大连交通大学学报,2014,37(6):61-65．
论文作者:丁录董
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/12
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