基于ANSYS的地铁车站深基坑支护设计

2010-10-16孟文清秦志伟张亚鹏张笑珠

河北工程大学学报(自然科学版) 2010年4期

孟文清,秦志伟,张亚鹏,张笑珠

(1.河北工程大学土木工程学院,河北邯郸 056038;2.集瑞联合重工有限公司,安徽芜湖 241000)

近年来,随着地下空间的开发利用,深基坑工程在我国城市中大量涌现。然而作为一个复杂的岩土工程问题,在深基坑开挖过程中,不仅会遇到设计阶段难以预测到的问题,而且地质情况与勘察报告不一致的情况也非常常见,因而基坑事故时有发生[1]。传统的基坑支护结构设计通常采用等值梁法、m法等近似计算方法[2-3]。近年来,也有不少学者采用二维有限元方法,考虑了支护结构与土体的相互作用[4]。工程实践表明,深基坑两端壁处存在明显的空间效应,二维有限元分析有着很大的局限性,于是陆新征等人采用三维有限元法研究了深基坑开挖过程中的空间效应问题,研究结果表明,基坑的空间几何尺寸和施工过程对支护结构的受力状态有着重要影响[5-9]。

本文根据广州市某地铁车站深基坑工程的具体特点,通过ANSYS建立三维有限元模型对基坑施工过程进行动态模拟,考虑了土体与支护结构的相互作用以及空间效应的影响,计算结果更加符合实际情况。

1 工程概况

1.1 工程背景

广州地铁三号线永泰站深基坑位于白云区尖彭路与广从路交叉口西南侧,深为17.5m。基坑西南侧有一单层仓库,距基坑最近约1m,北侧为正在施工的华南路三期高架桥桥墩,距基坑约3m;此外,由于工期处于雨季地下水位高,且地下溶洞较多地质条件差,所以对基坑的变形控制也有较高要求。基坑场地各层土体的基本力学参数见表1。

1.2 基坑支护设计

鉴于基坑场地地质情况及复杂的周围环境,采用钢筋混凝土地下连续墙与内支撑相结合的支护体系。地连墙的平均嵌岩深度为1.5m。该车站主体结构为地下2层,在钢支撑及钢围檩拆除过程中,为了将内支撑所承受的侧向土压力安全地转移至主体结构,分别在主体结构的顶板、中板和底板以上0.5m处设3道内支撑,分别距离地表2m,7.5m和13.5m。此外,考虑到内支撑的整体刚度和土方开挖机械的工作半径等因素,支撑的最小水平间距取为3m。内支撑的平面布置如图1所示。

结合基坑平面的几何形状和内支撑的特点,内支撑采用钢筋砼支撑和圆钢管支撑相结合的方式。第1道支撑使用钢筋砼支撑,刚度比较大,其水平布置间距可以适当放大,有利于充分发挥土方开挖机械的工作能力,而在第2、3道支撑中采用易于安装和拆除的钢支撑。

在地下连续墙施工完成之后开始基坑开挖,基坑开挖的水平施工顺序沿线路走向,从东向西分区单向后退式进行。土方开挖沿竖向根据内支撑的布置分3层进行开挖,内支撑随挖随撑。为了确保支护方案的合理性,对基坑进行了开挖过程的三维有限元分析,以确定支护方案的主要参数。

2 计算模型的建立

计算软件采用通用有限元软件ANSYS进行分析。土体采用空间六面体八节点单元Solid45来模拟,其本构模型选用Druck-Prager理想弹塑性模型。钢筋砼地下连续墙采用4节点壳单元Shell63,钢筋砼支撑及钢管内支撑采用空间梁单元Beam188,均假设为线弹性材料。

2.1 初始地应力场的模拟

基坑由于土体自重作用而存在初始应力场,由初始应力引起的位移在基坑开挖之前就已经发生并且稳定,对基坑的开挖不产生影响。根据以往的工程经验及有限元计算结果,基坑开挖影响宽度约为开挖深度的3～4倍,影响深度约为挖深的2～4倍[10-12]。所以在有限元模型中,基坑开挖的影响深度取为55m,影响宽度取为45m。基坑的初始地应力场采用读入初应力文件的方式来模拟。

表1 各层土体的力学参数Tab.1 Mechanical parameters of soil layers

2.2 钢支撑预应力的施加

在ANSYS中,钢支撑预应力的施加主要有初始应变法和降温法2种方式,经过计算后都会发现,钢支撑的实际预应力总是远远小于需要施加的预应力,可能是由于结构在施加预应力后产生变形而导致了预应力损失。为了避免此类情况的发生,采用初始应变法并结合ANSYS单元生死功能给钢支撑施加预应力。

2.3 基坑开挖与支护的具体步骤

步骤1:建立整个基坑开挖影响区范围内的土体及支护结构模型,基坑的单元网格划分如图2所示。

步骤2:“KILL”所有支护结构单元,并施加重力荷载,生成初始地应力文件。

步骤3:读入初始地应力文件,并激活地下连续墙与冠梁。

步骤4:逐层“KILL”土体单元并“激活”相应的内支撑与围檩单元,模拟开挖与支撑施工。

步骤5:重复步骤4直至开挖至基坑底部。

3 支护参数的确定

3.1 地下连续墙厚度的确定

在有限元分析中,通过改变地连墙的厚度来调整地连墙的刚度,研究基坑长边中间点的最大侧向位移和墙身最大弯矩与地连墙厚度之间的关系(图3)。

从图3可以看出,地连墙的侧向位移随着墙体厚度的增加而减小,而墙体内的最大弯矩随着墙体厚度的增加而增加。当墙体厚度达到0.8m时,继续增加墙体厚度对控制墙体侧向位移的效果已不明显;而当墙体厚度超过0.8m时,墙体最大弯矩增量比较明显。因此,地连墙厚度取0.8m。

3.2 内支撑刚度的的确定

在广州市地铁车站基坑工程中,比较常用的两种钢管内支撑是φ 600×14和φ 600×16圆钢管。在有限元分析中,通过改变内支撑的截面大小来调整内支撑的刚度,当内支撑取φ 600×14时,设其刚度为K。当调整内支撑截面时,基坑长边中点的最大侧向位移与内支撑刚度的关系如图4所示。

从图4中可以看出,在0.2K～1.0K之间,地连墙向基坑内的侧移随着内支撑刚度的减小而迅速增大,当内支撑刚度为0.2K时,墙体的最大侧移为388mm,明显向基坑内倾覆;当支撑刚度超过1.2K时,继续增加支撑刚度对于控制地连墙侧向位移作用已经不大;当内支撑刚度从2.0K增加到3.0K时,地连墙的最大侧移仅仅减小了6mm。因此为了将地连墙的最大水平位移控制在30mm以内,可以取圆钢管内支撑φ 600×16,即内支撑刚度为1.14K。