黄土地区地铁深基坑围护结构变形特性的FLAC软件模拟分析

任建喜 朱元伟

（西安科技大学建筑与土木工程学院，710054，西安∥第一作者，教授）

黄土地区地铁深基坑围护结构变形特性的FLAC软件模拟分析

任建喜 朱元伟

（西安科技大学建筑与土木工程学院，710054，西安∥第一作者，教授）

以西安地铁2号线韦曲南站深基坑工程为对象，通过FLAC软件模拟计算及现场监测得出黄土地区该地铁车站深基坑围护桩桩体位移变化特征、钢支撑轴力变化特征，分析监测数据得出黄土湿陷性对该基坑围护结构的影响程度。所得结果可为西安黄土地区车站深基坑围护结构优化及监测方案的制定提供参考。

黄土地区；地铁深基坑；围护结构；变形特征；FLAC模拟

First-author'saddressXi＇an University of Science and Technology，710054，Xi＇an，China

地铁车站基坑围护结构稳定性分析研究是黄土地区城市地铁建设中的关键课题之一，开展黄土地区地铁车站深基坑围护结构变形特征研究具有重要的价值［1-3］。很多学者采用数值模拟计算软件及现场监测相结合的方法得出了不同地区地铁车站基坑围护结构的变形特征［4-6］。有关黄土地区地铁车站深基坑围护结构变形特征研究的成果还不多见。本文依托西安地铁2号线韦曲南站深基坑工程，通过FLAC软件数值模拟和现场监测相结合的手段研究黄土地区地铁车站深基坑围护结构变形特征，目的是为围护结构方案设计及优化提供理论支撑。

1 工程概况

韦曲南站位于南长安街与规划路的十字交叉口，车站大致呈南北走向布置。车站为地下2层岛式明挖车站，站台宽12 m，车站中心里程为YDK26 +461.713，左线起点里程为ZDK26+325.263，终点里程为ZDK26+635.523，右线起点里程为YDK26+261.913，终点里程YDK26+581.663。车站（含北侧单渡线）总长为318.75 m，标准段宽为20.7 m，深15.5～17.8 m。

根据勘察资料显示，基坑在深度50.0 m范围内的地层主要为第四系松积物，地层自上至下由全新统人工填土（Q4ml）、冲积（Q4al）黄土状土、粉质黏土、中砂、卵石、中更新世冲积（Q2al）粉质黏土、中砂等组成。

该场地所揭露的地下水为第四系孔隙潜水，含水层主要为第四系全新世砂砾卵石土和中更新世冲积中粗砂中的孔隙水，潜水含水层厚度大于40 m。勘察得出地下水潜水位埋深为4.6～6.5 m，水位高程为428.40～430.15 m。

2 深基坑围护结构设计及监测方案制定

2.1 围护结构设计方案

基坑采用明挖顺作法施工，围护结构采用钻孔灌注桩，基坑内设钢管支撑。钻孔灌注桩采用C30混凝土，桩顶冠梁采用C25混凝土，中间挡土板采用C20混凝土。钢支撑采用内径φ600 mm钢管

（壁厚12 mm），钢围檩采用2根I45b组合型钢，钢管及围檩材质为Q235-BF。钻孔灌注桩保护层厚70 mm，冠梁混凝土保护层厚50 mm，挡土墙保护层厚25 mm。

根据车站结构形式、场地地质及周围环境特征，结合深基坑施工设计经验及计算数据对主体围护结构采用φ1 000 mm钻孔灌注桩，净间距为1 300 mm和1 500 mm两种。内支撑采用三道钢管支撑，第一道为φ600 mm（厚12 mm）钢管，第二、三道为φ600 mm（厚14 mm）钢管，局部为厚16 mm钢管，钢管水平间距为3.0 m。第一、二、三道钢支撑的设计轴力分别为400 kN、2 300 k N、1 800 kN，第一、二、三道钢支撑的预加轴力分别为300 k N、1 000 k N、1 000 k N。

2.2 监测方案

基坑开挖必定会使周围环境发生变化，如周围土体沉降、临近建筑物变形等，同时还会引起基坑围护结构和周围土体的变形，给基坑稳定性造成影响。而基坑围护结构的变形与诸多因素有关，如基坑围护结构形式、支撑系统等。综合考虑各种因素对基坑围护结构的影响，主要对桩体水平位移及钢支撑轴力进行监测。监测点布置及其断面见图1。

图1 监测点布置及其断面图

3 深基坑围护结构变形FLAC计算分析

3.1 FLAC计算模型确定

按照基坑实际尺寸（宽20.7 m，深16.21 m）进行开挖，影响区域选开挖尺寸的3～5倍。基坑在开挖前已进行降水处理，保证地下水一直位于开挖基准面以下，故在FLAC模拟计算中，没有考虑地下水渗流对深基坑变形及其稳定性的影响。选取110 m×80 m（长×宽）的区域建立FLAC计算模型。模型产生7 056个单元，10 860个节点，见图2。

3.2 模型的边界条件

在深基坑周围地表没有固定荷载，但考虑到深基坑边可能会有临时堆载及瞬时动载等因素，故施加均布荷载q=10 kPa。左右两侧边界施加X方向约束；下侧边界施加X及Y方向约束；前后边界施加Y方向约束。

图2 基坑开挖FLAC模型剖面图

3.3 本构模型及计算参数

根据已有的研究，黄土天然强度近似服从Mohr-Coulomb准则［7］。因在基坑开挖前已进行了降水处理，避免了地下水对黄土的影响，故在模拟基坑开挖过程中土体可采用Mohr-Coulomb本构模型。

参考韦曲南站岩土工程勘察报告提供的地质钻孔柱状图和工程地质剖面图，列出各土层分布及其物理力学参数，见表1。

表1 各土层物理力学参数表

3.4 计算工况

计算模型的模拟过程如下：①初始地应力计算；②施加围护桩；③开挖至1.5 m深；④开挖至2.75 m深架设第一道钢支撑；⑤开挖至7.4 m深架设第二道钢支撑；⑥开挖至12.8 m深架设第三道钢支撑；⑦开挖至坑底，即16.21 m深。

3.5 计算结果分析

3.5.1 桩体水平位移变化特征

桩体水平位移能够完整地反映围护桩桩身的变形，也是围护结构安全状况的重要指标。本文选取图1中监测断面1-1的CX14测点桩进行重点研究。该截面处基坑开挖最大宽度为20.7 m，开挖深度为16.21 m。CX14测点桩体水平位移随施工过程变化曲线如图3所示。

由图3可知，开挖至2.75 m深，围护桩有向基坑内移动的趋势。这是因为基坑开挖打破原有土层平衡状态，为了达到新的平衡状态土体有回弹趋势。随着基坑开挖深度的增大，围护桩水平位移逐渐增大，桩体最大变形发生在中部，且最大水平位移是5.48 mm。在施工过程中，由于钢支撑的加设，对基坑变形起到了很好的限制作用，使得位移增长速率逐渐变小。

图3 CX14测点桩体水平位移随施工过程变化曲线

3.5.2 钢支撑轴力变化特征

以图1断面1-1的第一道钢支撑1-41为例，分析土方开挖完成后钢支撑轴力变化特征，其结果见图4。

图4 1-41钢支撑轴力随施工过程变化曲线

由图4可知，钢支撑施作完成后的开始阶段，预应力呈“波浪式”变化，但基本上处于稳定小幅度增大状态。“波浪式”变化主要是因为基坑旁边可能有临时堆载和瞬时动载，从而使得钢支撑轴力有细微变化，但对钢支撑轴力的变化影响不大。钢支撑由刚开始预加轴力379 kN增大到490 kN，这是由于基坑内土方的开挖，起到卸载的效果，使得围护桩后面主动土压力增大，被动土压力减小，引起桩身水平位移有向基坑内发展的趋势。这表明钢支撑的存在有助于围护桩位移向基坑外侧适当发展，这对基坑稳定是有利的。这一特征和测点CX14的桩身水平位移分析结果基本吻合。在第35天，轴力由490 kN减小到382 k N，主要是因为基坑开挖至设计标高，基坑底土压力迅速释放，底部桩体位移向坑内发展，上部桩体位移向坑外发展，使得钢支撑轴力得到一定的释放。随后轴力变化缓慢，基本稳定在370 kN左右。

4 围护结构变形的FLAC模拟计算结果与监测结果对比分析

4.1 桩体水平位移计算结果与监测结果对比分析

基坑开挖到不同深度处桩体水平位移模拟计算结果与监测结果对比如图5所示。

图5 基坑开挖到不同深度处桩体水平位移模拟计算结果与监测结果对比

由图5可知，桩体水平位移模拟计算结果变形趋势和现场监测变形趋势基本吻合，围护桩最危险的地方都出现在基坑中部到2/3基坑深度处。这点模拟计算结果与监测结果基本是一致的。现场监测到桩体最大水平位移为4.74 mm，FLAC模拟计算结果最大值为5.48 mm。这主要是由于数值模拟计算未能考虑土层中孔隙水的影响，计算结果与监测结果在数值上有些出入，但基本上不影响对基坑稳定性的评价。

4.2 钢支撑轴力模拟计算结果与监测结果对比分析

钢支撑轴力模拟计算结果与监测结果对比如图6所示。

图6 钢支撑轴力模拟计算结果与监测结果对比

由图6可知，刚支撑轴力计算结果变化趋势和现场监测变化趋势基本吻合，刚开始轴力都是呈“波浪式”变化，且基本上处于稳定有小幅度增大状态。现场监测到支撑轴力由刚开始预加轴力400 kN增大到最大值518 k N，而后又减小到374 k N，其变化原因同模拟计算结果分析一致。最后基本上趋于稳定，稳定在425～430 k N范围内。

5 黄土湿陷性对围护结构变形的影响

韦曲南站深基坑黄土层的天然含水量在10%～30%之间，当采取降水措施后，黄土的含水量会下降至10～20%之间，但在施工过程中不可避免地会遇到下雨并导致黄土发生浸水湿陷。下雨前后CX14测点的桩体水平位移监测结果见图7。

图7 下雨前后CX14测点的桩体水平位移监测结果对比

由图7可知：CX14测点的围护桩体水平位移在下雨前后变化趋势基本上一致；下雨前桩体最大水平位移为4.98 mm，但由于下雨导致黄土浸水湿陷，黏聚力减小，抗剪强度减小，围护桩体水平位移变为5.87 mm，围护桩体最大水平位移较下雨前增大20%左右。为了减小黄土湿陷性对围护结构的影响，在雨天应加强对围护桩体水平位移监测和地下水位变化情况的监测。

6 结论

1）结合FLAC模拟计算结果分析可知：随着本基坑的开挖，围护桩身变形曲线由前倾型逐渐向弓形变化，桩体最大水平位移的发生部位也随之下移至基坑中部，达到5.48 mm；施加钢支撑后，其轴力初期呈“波浪式”变化，当基坑开挖至设计标高时，支撑轴力骤减而最后处于稳定且有小幅度增大状态。

2）对比分析FLAC预测结果和现场监测结果可知：围护桩体水平位移、钢支撑轴力的FLAC模拟计算结果变化趋势与实测结果变化趋势基本一致。钢支撑在一定程度上限制了桩体向基坑内的水平变形，有利于维护深基坑的稳定性。

3）下雨天黄土发生浸水湿陷后，围护桩体水平位移达5.87 mm，较下雨前增大20%左右。为了确保基坑围护结构的稳定性，在雨天应提高监测频率并及时监测地下水位变化情况。

［1］ 刘均红，陈弦.黄土地区地铁车站深基坑变形监测与分析［J］.城市轨道交通研究，2009（8）：68.

［2］ 张世华.黄土地区地铁深基坑支护结构内力及变形规律分析［J］.中外公路，2012（3）：26.

［3］ 任建喜，冯晓光，刘慧，等.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（3）：89.

［4］ 谭永朝，唐雅茹，彭加强，等.基于数值分析的深基坑围护结构优化设计［J］.城市轨道交通研究，2009（8）：21.

［5］ 樊胜军，胡长明，刘振江.某深基坑施工期围护结构变形监测与数值模拟分析［J］.施工技术，2010（9）：82.

［6］ 林源，胡长明，李永辉.某黄土深基坑围护结构变形数值分析与优化［J］.施工技术，2010（5）：18.

［7］ 陈正汉，许镇鸿，刘祖典.关于黄土湿陷的若干问题［J］.土木工程学报，1986（8）：86.

FLAC Numerical Simulation of Deep Foundation Pit Retaining Structure Deformation Characteristicsin Loess Area

Ren Jianxi，Zhu Yuanwei

Based on the deep foundation pit engineering of South Weiqu Station on Xi＇an metro Line 2，and through FLAC numerical simulation software and on-site monitoring，the pile displacement variation and the steel support axial force variation of the deep foundation pit in the collapsible loess area are obtained.By analyzing the monitored data，the deformation law of retaining structure influenced by collapsible loess is founded.This research will provide a reference for the optimization of deep foundation pit support structure and formulation of monitoring program in the collapsible loess around Xi＇an railway stations.

loess area；deep foundation pit of metro；retaining structure；deformation characteristic；FLAC numerical simulation

TU 433

2014-02-15）