摘要：以石家庄地铁时光街站深基坑工程为研究对象，采用大型ABAQUS有限元软件，对整个施工过程进行三维数值模拟，将模拟结果与实际施工监测数据进行对比，验证了有限元软件的可靠性，同时利用数值分析分析了倒撑的作用和不同土层分布围护结构的变形规律。
关键词：ABAQUS；数值模拟；变形监测；倒撑；土层分布
1引言
随着近年来城市人口数量的不断增加，城市地面拥堵的交通严重影响了人们的正常生活。在这种情况下，地铁建设越来越受到人们的关注，地铁车站常常建立在商业中心，人口密集，周围的交通情况复杂，建筑物繁多，地铁车站基坑施工的安全稳定问题及对周围环境的影响也越来越受到人们的关注。由于地质条件、施工方法、荷载分布等因素的复杂性，使理论分析变得困难，因此，对深基坑支护结构体系和土体的变形和受力的现场监测与数值模拟对安全施工意义重大。
2工程概况及水文地质条件
2.1工程概况
时光街站位于中国人民解放军石家庄指挥学院东门前，沿中山路东西布置。中山路红线宽度为53m，基本实现规划；车道设置为双向机动4机动车道和2非机动车道，为城市交通主干道，车流量较大。
车站周边建筑物：车站北侧东部为军安宾馆，建筑物与主体基坑净距约17m,车站北侧西部为中国人民解放军石家庄指挥学院东门，建筑物与主体基坑约10m。车站西北侧为中国人民解放军石家庄指挥学院医院，建筑物与主体基坑约18m。车站南侧东部为热河食府，建筑物与主体基坑净距约30m。车站南侧西部为27军通信团门房，建筑物与主体基坑净距约32m。
2.2工程地质及水文地质
本次勘察揭露地层最大深度为45m，根据钻探资料及室内土工试验结果，时光站穿越地层自上而下依次为：人工填土层、新近沉积层、第四系全新统冲洪积层、第四系上更新统冲洪积层。受施工工艺限制，在勘察深度范围内未能实测到地下水位，根据对本车站所在位置的区域水文地质资料显示，本车站赋存一层地下水，地下水类型为潜水（二），埋深35m左右，含水层为细中砂层、中粗砂（含卵石）层。本次勘察未见上层滞水，但由于大气降水、管道渗漏等原因，拟建车站场地内不排除局部存在上层滞水的可能性。
3深基坑围护方案及监测方案
3.1基坑围护方案
本站基坑支护结构采用钻孔灌注桩+内支撑支护体系。围护结构采用钻孔灌注桩，桩间采用挂网喷射混凝土支护。灌注桩顶设冠梁，冠梁顶面以上采用混凝土挡土墙。本站围护结构支撑采用3道钢支撑。
3.2监测方案
为了掌握车站基坑及周边建筑物与支护结构的动态变化情况，监控施工过程中结构物所处的安全状态，并通过对监测数据的处理、分析，来控制地表下沉和基坑周边土体位移。
4监测数据及有限元计算分析
4.1数值计算模型
车站总长为221.7m,标准段宽度为19.7m,端头段宽度23.3m。车站顶板覆土3.9m，标准段底板埋深17.25m，端头段底板埋深18.69m。采用大型有限元软件ABAQUS进行三维数值模拟分析。三维有限元模型大小取为86×60×60（m）,模型的各侧边界采用法向约束，上边界采用自由约束，下边界采用完全约束。钻孔灌注桩采用梁单元模拟，弹性模量取为3×1010Pa，泊松比取为0.23，钢支撑采用梁单元进行模拟，弹性模量取为2.1×1011Pa,泊松比取为0.2，钢筋网混凝土采用壳单元模拟，弹性模量取为2.5×1010Pa，泊松比取为0.2。
4.2不同计算方法对围护桩的影响
采用土体的移除与钢支撑的支撑在一个工况下完成；李磊等[3]采用先进行土体的开挖，后进行钢支撑的支撑；王浩然等[7]采用支撑钢支撑和移除钢支撑下侧的土体作为一个工况。
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根据施工过程将基坑开挖的关键步骤分为：①初始地应力平衡，②钻孔桩施工，③开挖第一层土，④支撑第一道支撑及网喷混凝土，⑤开挖第二层土，⑥支撑第二层支撑及网喷混凝土，⑦开挖第三层土，⑧支撑第三层支撑及网喷混凝土，⑨开挖至基底。
将上面的步骤分成三种情况进行讨论。第一种：按上面所给的开挖步骤进行模拟计算。第二种：①②③（④⑤）（⑥⑦）（⑧⑨）。第三种：①②（③④）（⑤⑥）（⑦⑧）⑨。
以上三种情况的变形规律基本相似，第三种情况变形最小，第二种变形最大。这是因为第三种情况在土体开挖的同时进行了钢支撑的支护，土体的变形受到钢支撑的支护作用而减小，与实际施工中土体开挖完以后再支护不同，不能反映实际的施工情况。第二种情况因为在钢支撑下面的土体开挖过多导致整个变形比其他两种情况都大，实际施工情况应该是钢支撑下的土体在钢支撑支护之前开挖不能超过0.5m。这种情况开挖远远超过了0.5m，因此与实际情况不符。第一种情况与实际施工情况大致吻合，变形位于其他两种情况之间，结果能真实反映实际的变形情况，因此采用第一种情况进行数值模拟是正确的。从图可以看出钢支撑施作的时间越滞后，桩的变形越大，因此在基坑施工过程中应该减少无支撑暴露的时间。
4.3计算与监测结果对比分析
从监测结果可以看出他们的变形趋势基本一致，围护桩的变形呈向基坑内倾斜的趋势。在支撑的支撑位置附近，围护桩的变形受到一定的限制，因此，在基坑施工过程中，围护桩的水平位移与钢支撑的关系密切，应减少无支撑暴露的时间，及时架设钢支撑并施加适当的预加轴力。随着基坑的开挖，开挖面上侧的桩由于基坑内土体的应力释放，围护桩的变形不断向基坑内倾斜，在钢支撑之间围护桩的变形最大。围护桩变形呈弓形桩，符合常见采用多道钢支撑围护结构的变形特点。
4.4倒撑对桩的影响
在基坑回填过程中，建筑基坑底板及边墙的强度到达一定强度后，为了施作内部结构会拆除上部的钢支撑。由于钢支撑的拆除，可能会引起基坑外侧土体大量向基坑内移动，在施工中常在边墙上施作倒撑来解决这一问题。在本论文中运用三维数值模拟模拟了倒撑在本工程中的作用，从结果可以看出，有倒撑和没倒撑时桩的变形情况基本上完全一致，说明在本次基坑工程中倒撑的作用不是很大。这是因为上层的钢支撑拆除之前底板及边墙已经达到了相当大的强度，已经能过抵抗土体的变形。
4.5桩位于不同的土层时桩的变形情况
在论文中将桩底材料的弹性模量分别扩大5倍、保持原材料参数不变、弹性模量减小5倍，用数值模拟来研究桩的变形情况。从图中可以看出当弹性模量扩大5倍时，桩底的变形基本趋于稳定，说明上层的开挖对桩产生的影响已经很小，桩的插入深度过深会造成资源浪费。在保持原材料参数的情况下，桩底的变形刚好趋于稳定，既能满足基坑的围护作用，又不会造成资源的浪费。在弹性模量减小5倍的情况下，桩底由于嵌入层比较薄弱，桩的变形没有趋于稳定的趋势，不能满足基坑的围护作用，有可能会造成严重的工程事故。
5结论
（1）在用数值模拟进行模拟,模拟工况与实际工的能否保持一致是分析结果是否可靠关键。
（2）用ABAQUS进行基坑的数值模拟，能够得到合理的结果。钢支撑对基坑的变形影响较大，在施工过程中应该减小无支撑暴露时间。
（3）在本工程中倒对撑基坑的变形影响较小，在施工中可以不施作倒撑。
（4）桩的末端位于不同的土层会产生不同的变形情况，在施工中应该严格按照理论计算来设计桩的长度，不能按照经验来设计桩的长度。
参考文献：
[1]郑刚、李志伟.不同围护结构变形形式的基坑开挖对邻近建筑物的影响对比分析[J].岩土工程学报，2012
[2]刘杰、姚海林、任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J].岩土力学，2010
[3]李磊、段宝福.地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟[J].岩土力学与工程学报，2013
[4]任建喜、冯晓光、刘慧、秦杏春.地铁车站深基坑围护结构变形规律监测研究[J].铁道工程学报，2009
[5]李进军、王卫东等.基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析[J].岩土力学，2007
[6]郑刚、李志伟.基坑开挖对邻近任意角度建筑物影响的有限元分析[J].岩土工程学报，2012
[7]王浩然、王卫东、徐中华.基坑开挖对邻近建筑物影响的三维有限元分析[J].地下空间与工程学报，2009
论文作者:胡青兰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/17
标签：基坑论文; 车站论文; 情况论文; 数值论文; 建筑物论文; 弹性模量论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第1期论文;