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深基坑围护结构侧向位移变化规律分析研究

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第31卷第3期 2014年o9月 河北工程大学学报(自然科学版) Journal of Hebei University of Engineering(Natural Science Edition) Vo1.31 No.3 Sep.2014 文章编号:1673—9469(2014)03—0031一o4 doi:10.3969/j.issn.1673—9469.2014.03.008 深基坑围护结构侧向位移变化规律分析研究 刘 冬 ,曹雪山 ,刘 兴。 (1.河海大学土木与交通学院,江苏南京210098;2.上海隧道工程股份有限公司,上海200062) 摘要:根据南京市地铁四号线中保站的监测数据,分析地下连续墙的变形特征,发现基坑开挖过 程中围护结构变形具有明显时空效应规律;发现随着开挖深度增加,地连墙侧移量在基底附近 达到最大值;发现地连墙的变化呈现类似抛物线,地连墙侧向位移随着自身刚度增加而减小。 结合平面有限元计算分析软件plaxis,利用HS本构模型对地连墙变形影响因素进行分析研究, 结果建议南京地区的开挖深度为圩时,其地连墙的厚度取(2.5%~3.5%)日。 关键词:深基坑;围护墙体;侧向位移;有限元分析 中图分类号:TU473.2 文献标识码:A Analysis on the change law of the displacement of retaining structure of deep foundation pit lateral LIU Dong ,CAO Xue—shan ,LIU Xing (1.College of Civil Engineeirng and Transporation Engineeirng,Hohai University,Jiangsu Nanjing 210098,China; 2.Shanghai Tunnel Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200062,China) Abstract:According to the monitoring data mediator Nanjing Metro Line station,this paper analyzed the deformation characteristics of the underground continuous wal1.It is found that the law of space effect is quite obvious during excavation retaining structure deformation;and the amount of land in the vicinity of the lateral wall of the base reaches a maximum with the increasing of excavation depth.It is also found that a wall changes similar parabola,the lateral displacement of the wall decreases with in- creasing of their stiffness and.Combined with plane finite element analysis software plaxis and HS wall deformation constitutive model,the main factors were analyzed.The analysis results suggest that, the thickness of its walls takes(2.5%~3.5%)H when the Nanjing area of excavation depth is H. Key words: ̄undation pit;retaining wall;lateral displacement;finite element analysis 基坑开挖是一个卸载的过程,具有竖直方向 形量的影响因素众多,其中就有土层的物理性指 标、墙体的刚度。本文利用模拟分析软件分析地 与水平方向卸载,同时还有应力应变路径问题…, 土体的弹性模量、压缩模量也在变化。在局部卸 载过程中,由于存在主动土压力,墙内外的土压力 连墙变形影响因素,并对结果进一步讨论。 差值在增加 J,会造成地下连续墙产生向坑内的 侧向变形。随着开挖深度增加,地下连续墙变形 1工程概况 中保站位于南京市鼓楼区河西宁工新寓南门 及草场门大街与江东北路交叉口之间,沿草场门 大街布置。地面高程为6.70—8.06 m(吴淞高 程)潜水稳定水位在1.6—2.5 m,地质属于长江漫 量在增加、变形位置也在变化。上海城建院研究 院王印昌 在地连墙受力分析中采用了反反分析 法,通过弯矩分析得出地连墙变化规律。研究员 李刚 根据地铁深基坑监测数据给出了变形特 征,但二者只研究了地连墙的变形特征,并没给出 影响因素以及地连墙的厚度参考值。地连墙的变 收稿日期:2014—04—10 滩相沉积地貌单元,水平层理发育,地属秦淮河古 河、长江区,土质较为软弱,场地范围内的土层,从 上到下主要为杂填土、粉质粘土粉砂互层、粉砂 基金项目:中央高校基本科研业务费项目(2010B03414) 作者简介:刘冬(1989一),男,江苏徐州人,硕士,从事基础工程研究。 32 河北工程大学学报(自然科学版) 2014年 层、粉质粘土层、粉土夹粉砂层、粉砂层、软弱粘土 层、粉土夹粉砂层和含卵砾石粉质粘土层,下层 34 m左右为基岩。该车站是地铁4号线与9号线 的换乘站,两线十字交叉,车站型式为地下两层岛 式,基坑开挖方式为半盖挖形式(设施工栈桥板), 车站全长525.7 In,车站结构总宽度为23.3 m,设 有 =800 mm的立柱桩,标准段地连墙埋深 39 m,与9号线换乘段坑底埋深约26 nl。车站内 部结构为钢筋混凝土箱型结构,采用地下连续墙 +内支撑的支护结构,采用1 000 mm地下连续墙 加6道内支撑支护形式,选取标准段地连墙作为 研究对象,地连墙长度约为39 m,进入中风化岩层 />3.0 m。坑底埋深26 m,第一道水平支撑采用 900 mm×1 000 nlm钢筋混凝土支撑,其余五道采 用壁厚为16 mm,直径为609 mm的钢支撑。 2监测结果对比分析 中保站基坑围护结构采用1.0 m×39.0 m的 玎 i-i 地下连续墙,插入比( )为0.5,地下连续墙 f1 人岩为3 m。人岩的地连墙位移量很小,可以忽略 不计,而开挖的26 m深度的地连墙作为弹性体, 随着坑内外的土应力差值而出现变形。为了研究 地下连续墙的变形特性,选择墙体点CXK05(有效 深度为39 m)、CXK06(有效深度为27 m)与 CXK07(有效深度为29 m)号孔作为研究对象。基 坑开挖分六次开挖,对于不同开挖深度地连墙变 形情况的研究,利用基坑开挖时的各工况(开挖 面)为研究断面。CXK05有效测斜深度为39 m, 坑底埋深26/13。根据实际监测数据绘制CXK05 随基坑开挖深度变化曲线图,如图1: 侧移量/mm UI 5’ 目 \ {醚 lO’/  辍 15 20・ 图l墙体测斜点CXK05随基坑开挖深度变化的变形曲线 Fig.1 The curve between excavation depth and horizontal displacement of monitoring point 由图I可知,不同工况下,相同开挖深度的地 连墙的变形量是不一样的。由工况一知道,地连 墙的最大侧向位移量在5 m左右,从0~5 m的位 置,地连墙的侧向位移在增大,5~26 m地连墙的 侧向位移量在减小。在工况六的时候,这个阶段 由于基坑开挖到接近设计基底,这时的基坑内外 的侧向土压力差值最大,地连墙作为一个弹性体, 这个时候地连墙呈现了“大肚状”,呈类抛物线,最 大侧移量为180 mm,处于地连墙的25 nl位置。可 以看出随着开挖深度增加,地连墙的最大侧移量 位置不断下移,表明“土体的侧向应力随着深度的 增加而增加”。由此可见地连墙变形量与变形位 置具有明显的时空效应。Ou[5]研究台北软土深 基坑工程实例,发现具有高稳定性系数的围护结 构的最大侧向变形为0.2%H~0.5%H。CXK05 最大水平位移为180 mm,在深度为26 m位置处, 最大侧向变形约为0.47%H,略小于Ou统计的台 北的0.5%日,这可能是南京与台北的地质不同造 成的 3基坑围护结构变形数值分析 数据取自中保站基坑标准段靠近中部位置的 墙体深层水平位移监测点CXK05(有效深度 39 m)的测斜数据进行统计分析,建立有限元模型 按照此监测点所在断面内的基坑实际情况进行 模拟。 3.1有限元模型的建立 采用平面分析软件进行分析,plaxis软件计算 简单,使用方便,尤其对于条形基坑具有明显优 势。分析时只考虑其一半(左边)。取土层边界长 度为525.7 m,约为开挖深度的2O倍,深度为 39 m。采用l5节点的三角形平面单元模拟岩土 体,网格划分为中等粗糙,且对地连墙附近的网格 实行局部加密。地连墙采用板单元模拟,支撑看 做是弹性体,采用锚定杆来模拟。具体的模拟参 数见表1。 由于土具有很强的压缩性,受应力路径与土 质影响很大,并且存在塑形形变,所以在plaxis中, 选取适用的本构模型很重要。根据徐中华的研究 成果,发现HS模型 很适用,对于HS模型当中3 个压缩模量的的取值,根据王卫东 的研究,上海 软土地区土体的E蠹值为E荔值的0.9~1.3倍,本 文将~Er #。和E笔的取值都接近于1.2。而E 则取 第3期 刘冬等:深基坑围护结构侧向位移变化规律分析研究 33 Eso 2.8倍,与Silty Clay 的研究结果相一致。 根据所选取的土层参数进行模型建立,模型见 图2。 避翳辍欺 侧移量/u 0 5 {;; 图3数值计算结果和实测结果对比 Fig.2 PLAXlS2D model for Zhongbao pit Fig。3 Comparison of numerical computing results and monitoring ones 3.2计算结果与监测结果对比分析 根据不同施工工况下的基坑围护墙体变形模 如图3所示,模拟结果显的围护墙体变形曲 拟结果进行统计分析,得到围护墙体最大水平位 移与开挖深度的关系如图4所示。由图可知,所 有工况中,围护墙体最大水平位移都位于开挖面 附近。工况四与工况五最大侧移量增量最小,分 线大小为178 mm左右,十分接近于180 ITIm的监 测最大位移,且最大位移所在位置与实际监测结 果一致,位于地表以下25 Ill处,高于基坑底面以 上1 m。在实际工程施工过程中,测斜在冠梁与混 凝土支撑施工完成后进行测量,所以计算结果与 别增加了6 mm与5 mm,因为这两个工况开挖深 度的增长率较低,支撑与上一工况支撑的距离较 实测结果在开始段具有一定的误差,同时施工技 术以及土层的物理学指标也不近相同,也是造成 开挖到16 m时候有一定区别的原因,在16 in后, 近,而工况二与工况六由于开挖层距离较大,所以 最大侧移量增加较多。 此外,由图4还可以看到,每个工况下,处在 计算结果与实测结果基本拟合,这个时候,土的影 响参数作为了主要的影响指标,其中就是E 、 围护墙体“腹部”以上的水平位移曲线都与下一工 况在同一深度范围内的曲线几乎重合,也就是说 每一个工况只会改变处在本开挖面附近以及开挖 面以下的墙体的水平位移,而对上部的围护墙体 变形影响微乎其微。例如工况六,在此工况下,位 E:、E 三个指标。这个时候主要矛盾集中在土的 模量上。所以在基坑开挖到一定深度时候,两条 曲线就基本拟合了。 河北工程大学学报(自然科学版) 于围护墙体“腹部”以上曲线基本上是由前面五个 施工难度与经济的影响,建议南京地区的地连墙 工况各自所形成的墙体水平位移曲线叠加而成 厚度取0.7~0.9 m,相对于模拟的选取的Ⅳ,南京 的,且本次开挖对之前开挖所形成的围护墙体水 平位移改变甚微,也就是说位于上一开挖面以上 的围护墙体基本不受此次开挖的影响。这说明: 基坑自身围护系统对于围护墙体的侧向变形限制 作用十分显著。 3一 蜒 6一 剿 9一 -二一工I至{引况Z-二… 三 .1 R  一工况穴嚣: 图4各个工况下围护墙体水平位移模拟计算结果 Fig.4 Simulation results of retaining wall hori— zontal displacement under v8rious conditions 3.3影响地连墙最大侧向位移的因素分析 根据统计资料 得知,影响地连墙侧移的参 数主要有E 、E乏、E 、E(刚度)、开挖深度、各土 层的厚度等。选用控制变量法,假设其他参数条 件不变,分别单独改变各个土层土体的HS模型中 的三个模量参数E 、E乏和E 的大小。取各个土 层的实际值的倍数,分别为实际值的0.3、0.5、 0.8、1.0、1.3、1.5、1.8、2.0、2.3、2.5、2.8倍,然后 分别建立有限元模型,将这些模型的计算结果进 行有对比分析。结果表明:距离基底较远的土层 参数变化对围护墙体最大水平位移位置的影响较 小,而地连墙的刚度(厚度)对于地连墙的最大侧 移的影响具有明显的区别。 3.4地下连续墙自身刚度对其最大水平位移 影响研究 地连墙的刚度直接取决于地连墙的厚度,其 他参数条件不变,只改变地连墙的厚度大小,取一 组地连墙厚度为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、 0.9 m的有限元模型进行研究。根据模拟的结果 绘制图5,发现地连墙在不同厚度情况下具有明显 变化,围护结构对于基坑变形起到了很大的作用。 其中最小值在厚度为1.2 m处,当厚度为0.7 m时 候的最大侧移量只比厚度1.2 In增加了20 mm的 侧移量,相对增加很少,考虑到地连墙的厚度对于 市地连墙厚度为地连墙深度的(0.025~0. 035)日。 地连墙厚度与侧移量 180 160 一 厂、^ 1 / 一 1 /l 一 1L 40 20 0 4 围护结构厚度/m 图5不同厚度对于地连墙最大侧移的影响 Fig.5 The effect of different thickness Oll the maximum lateral wall 综上所述,在笔者所考虑的众多影响因素中, 只有围护墙体自身刚度以及地下各土层强度是决 定墙体水平位移最大值所在位置的两个主要因 素。本文着重研究了这两种因素对墙体水平位移 最大值所在位置的影响程度和变化范围,主要是 一些定性的规律分析。至于是否还有一些其他左 右墙体水平位移最大值所在位置的因素,本文总 结的规律适用于南京,更多的参数影响以及具体 参数选取,可以更多的参考国外学者LONG_9 对于 参数的研究一文。 4结论 1)利用plaxi有限元软件的HS模型模拟基坑 开挖所得的围护墙变形与实测较为吻合,具有较 高的可靠性。 2)发现基坑开挖过程中围护结构变形符合时 空效应规律,围护结构侧向变形大小、变形的最大 位置变化与分步开挖的空间尺寸及挡墙暴露时间 密切相关。 3)发现围护结构随着开挖深度增加,地连墙 侧移量在基底附近达到最大值;发现地连墙的变 化呈现类似抛物线,地连墙侧向位移随着自身刚 度增力口增而减/J、。 4)考虑到地连墙的厚度对于施工难度与经济 的影响,建议南京地区的地连墙厚度取0.7~ 0.9 m,相对于模拟的选取的Ⅳ,南京市地连墙厚 度为地连墙深度的(2.5%~3.5%) 。 5)围护墙体自身刚度以及地下各土层强度是 决定墙体水平位移最大值所在位置的两个主要因 素。 (下转第5l页) 第3期 李宇宏等:城市休闲广场人群活动负面影响分析及设计 51 下沉广场的缺点是工程土方量大,要建有长 坡道满足残疾人出行,排水设计难度大,建设成本 较高。如北京海淀区世纪城社区的下沉广场,同 时又是社区活动中心,还建有活动室与社区管理 站等。广场面积较大,地面上种植密集的林木,经 常有广场舞,虽距离住宅很近,但噪音扰民程度较 轻。(图5) 图5北京海淀区世纪城社区的下沉广场 Fig.5 The sunken square of century urban residential are8 in Beijing haidian district 洛克菲勒中心下沉小广场,以雕像及连续喷 泉水池设施为主,冬季可供滑冰活动,小广场的周 围有带状街心花园,供人们小憩,并经常举办各种 展览,由于工作、休闲功能综合,这里成为人们昼 夜休闲的重要场所。 6结束语 为了减少广场上人群活动带来的一些负面影 (上接第34页) 参考文献: [1]胡明辉.深基坑地下连续墙变形及受力特性研究分析 [J].山西建筑,2011,37(24):69—70. [2]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑 工业出版社,1997. [3]王印昌.地下连续墙变形一应力的反分析方法[J].上 海市政工程,2008(S1):59-62. [4]李刚.地铁车站深基坑地下连续墙变形特征分析[J]. 铁道标准设计,2008,6(24):100—104. [5]OU C Y,SHIAU B Y,WANG I W.Three—dimensional deformation behavior of the Taipei National Enterprise Center(TNEC)excavation case history『J].Canadian 响,如噪音扰民、环卫较差、设施易损和市容不整 等,城市规划设计者既要努力营造舒适的广场环 境,同时也应考虑广场中活动行为对周边环境的 影响,尤其应尽力降低对附近居民正常生活的干 扰,休闲广场应适当远离住宅、或与住宅间建隔离 带,提倡城市公建附设休闲广场,尤其是将较大空 旷的休闲广场场地化整为零,以及适当建设下沉 广场,这些都是减少广场上人群活动负面影响的 有效途径。 参考文献: [1]苑军.中国近现代城市广场演变研究[D].北京:中国 艺术研究院,2012. [2]李超.城市休闲广场设计初探[D].青岛:青岛理工大 学,2006. [3]西奥多・奥斯曼德森.屋顶花园一历史・设计・建造 [M].林韵然等译.北京:中国建筑工业出版社,2006. [4]徐磊青.广场尺度与空间品质一广场面积、高宽比与空 间偏好和意象关系的虚拟研究[J].建筑学报,2012 (2):74—75. [5]APPLETON J.The experience of landscape[M].New York:Wiely,1975。 [6]奇普・沙利文.庭院与气候[M].沈浮等译.北京:中 国建筑工业出版社,2005. (责任编辑王”利君) Geotechnical Joumal,2000,37(2):438—448. [6]徐中华,王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构 模型的选择[J].岩土力学,2010,31(1):258—264. [7]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. [8]张辉,熊巨华,曾英俊.长条形基坑地下连续墙侧向位 移数值模拟及其影响因素分析[J].结构工程师, 2010,26(1):80—86. [9]LONG M.Database for retaining wall and ground move— ments duo to deep excavations[J].Journal of Geotechni. cal and Geoenvironmental Engineering,ASCE,2001,127 (33):203—224. (责任编辑王利君) 

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