地鐵深基坑傳力構(gòu)件的受力性能研究

任偉

摘 要：針對(duì)鄭州奧體中心站深基坑上部土釘墻+下部灌注樁內(nèi)支撐的支護(hù)特性，提出了一種傳力構(gòu)件。運(yùn)用有限元模擬了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體受力性能，對(duì)比了未施加傳力構(gòu)件與施加傳力構(gòu)件的整體變形特性。模擬結(jié)果表明，施加傳構(gòu)件，能夠有效地減小土體的變形，提高邊坡的穩(wěn)定性，是地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種較為有效的安全輔助措施。

關(guān)鍵詞：深基坑;支護(hù)結(jié)構(gòu);傳力構(gòu)件;受力性能

0 引言

對(duì)于地鐵深基坑邊坡穩(wěn)定性分析的研究，近幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者也投入了大量的精力，同時(shí)也取得了比較豐碩的研究成果[1-4]。深基坑開挖過(guò)程中的基坑穩(wěn)定問(wèn)題和支撐內(nèi)力是一個(gè)比較受關(guān)注的巖土問(wèn)題，通常常用的方法包括：極限平衡法和有限元法。本文以鄭州奧體中心站深基坑為工程實(shí)例，針對(duì)上部土釘墻+下部灌注樁內(nèi)支撐的支護(hù)特性，提出了一種傳力構(gòu)件，運(yùn)用有限元法對(duì)比了未施加傳力構(gòu)件與施加傳力構(gòu)件的整體變形特性，分析了傳力構(gòu)件的合理性，為相似的地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了借鑒。

1 深基坑邊坡穩(wěn)定性的有限元分析

在邊坡穩(wěn)定性分析中，有限元是一種常用的方法，采用有限元軟件可以比較高效地分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題，并能夠得到比較可靠的運(yùn)行結(jié)果。通過(guò)有限元網(wǎng)格劃分，將復(fù)雜的邊坡看作由有限個(gè)單元組成的整體，單元與單元之間由節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系。

根據(jù)虛功原理，均質(zhì)堤防土體中體系外力的虛功與內(nèi)力的虛功等于零，即變形體內(nèi)的應(yīng)力在虛應(yīng)變上所做的功與體積力和面積力在虛位移上所做之功相等，即：

式中：為各有限單元法中土體單元中的虛位移場(chǎng);為虛應(yīng)變;為土體單元受到的面外荷載;為土體單元受到的體積外荷載。

有限元法能夠?qū)⒒舆吰碌姆€(wěn)定和位移的發(fā)展聯(lián)系起來(lái)。在基坑開挖的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中只能測(cè)出位移的發(fā)展，無(wú)法測(cè)出安全系數(shù)，將基坑邊坡的穩(wěn)定性和位移的發(fā)展聯(lián)系起來(lái)就可以依據(jù)位移估計(jì)安全性的變化，這對(duì)施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)和控制邊坡的穩(wěn)定性是非常重要的。

2 深基坑傳力構(gòu)件的受力性能分析

運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)下表1。鋼筋混凝混凝土灌注樁和傳力構(gòu)件的參數(shù)見(jiàn)表2，在數(shù)值模擬時(shí)，對(duì)排樁進(jìn)行了簡(jiǎn)化，實(shí)際工程采用的灌注樁直徑1.2 m、間距1.4 m，按剛度等價(jià)換算混凝土地下連續(xù)墻（強(qiáng)度折減系數(shù)0.35），傳力構(gòu)件主要為鋼材，其材料參數(shù)參考HRB400鋼筋。

2.1 未施加傳力構(gòu)件的整體變形分析

建立的有限元模型劃分網(wǎng)格如圖1所示。施加約束如下：底部固定約束、左右兩側(cè)軸向約束、前后兩側(cè)軸向約束、上部自由，將支撐軸力均布到圍檁上，第1道混凝土支撐施加軸向位移約束，第2、3、4、5道分別施加壓力25 kPa、20 kPa、20 kPa、20 kPa，豎向施加重力加速度。

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了位移三維云圖，如圖3所示，并進(jìn)一步給出了基坑頂、一級(jí)坡平臺(tái)、二級(jí)坡平臺(tái)（冠梁頂）、基坑底等位置處的水平剖面云圖，分別如圖2所示。

從圖2可以看出，在土體主動(dòng)土壓力的作用下，樁頂以上土釘墻段會(huì)產(chǎn)生向基坑方向的位移（即圖中的x軸的負(fù)向位移），最大水平位移為0.014 98 m，即14.98 mm，該數(shù)值與實(shí)測(cè)最大水平位移15.1 mm非常接近，誤差僅為0.79%。從圖2可以看出，上部土體的位移云圖呈圓弧狀分布，和土體的滑移線形狀接近。上述結(jié)果驗(yàn)證了采用有限元模擬的合理性。

2.2 施加傳力構(gòu)件的整體變形分析

建立的傳力構(gòu)件有限元模型如圖3所示。邊界條件與未施加傳力構(gòu)件相同。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了基坑頂、一級(jí)坡平臺(tái)、二級(jí)坡平臺(tái)（冠梁頂）、基坑底等位置處的水平剖面云圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，施加傳力構(gòu)件后與施加傳構(gòu)件之前的基坑頂、一級(jí)坡平臺(tái)、二級(jí)坡平臺(tái)（冠梁頂）、基坑底等位置處的水平剖面云圖變化規(guī)律一致。由于傳力構(gòu)件施加在二級(jí)坡的底部，對(duì)地表的位移的影響較小，地表的最大水平位移為14.01 mm，比未施加傳力構(gòu)件時(shí)的14.98 mm減小了6.5%。在二級(jí)平臺(tái)處，施加傳力構(gòu)件后的最大水平位移9.24 mm，比未施加傳力構(gòu)件時(shí)的11.72 mm減小了21.16%，減小幅度比較大。

上述結(jié)果表明，施加傳構(gòu)件，能夠有效地減小土體的變形，提高邊坡的穩(wěn)定性，是地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種較為有效的安全輔助措施。

2.3 傳力構(gòu)件的受力性能分析

傳力構(gòu)件的截面尺寸為100 mm*100 mm的正方形截面，通過(guò)數(shù)值模擬得到的傳力構(gòu)件的應(yīng)力云圖如圖5所示，傳力構(gòu)件受到的最大應(yīng)力為78.7 MPa，對(duì)應(yīng)集中力為787 kN，需要的傳力構(gòu)件的凈截面為3 839 mm2，采用I22b工字鋼可以滿足要求（凈截面為3 955 mm2），間距5.0 m。

3 結(jié)論

施加傳力構(gòu)件，能夠有效地減小土體的變形，提高邊坡的穩(wěn)定性，是地鐵深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種較為有效的安全輔助措施。計(jì)算結(jié)構(gòu)表明：施加傳力構(gòu)件后，地表的最大水平位移為14.01 mm，減小6.5%，二級(jí)平臺(tái)處的最大水平位移9.24 mm，減小21.16%。

參考文獻(xiàn)：

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