摘 要:在邻近运营地铁车站进行基坑开挖,由于地铁车站的刚度大,车站-土-基坑围护结构相互作用,土层位移表现出与一般基坑不同的特点。采用flac2d程序进行数值模拟,分析在车站和基坑间距不同的情况下,基坑周围土层的变形特点、变形规律,并与没有地铁车站时的位移场做比较。结果表明车站附近的土层的水平位移明显减小,基坑离车站越近,其值越小;土层有向上移动趋势,靠近基坑的位移值较大,且基坑离车站越近、基坑开挖深度越大,竖向位移越明显。
关键词:位移特性,基坑开挖,地铁车站,flac
1 引言
随着城市地铁的不断扩展和延伸,在已建车站旁边开挖基坑的情况会越来越多,如在运营车站旁进行新地铁车站的建设,后建车站的施工必然会对已有车站产生影响[1,2]。对于地铁车站这样对变形要求极其严格的地下结构物,邻近基坑的工程建设面临着严峻的考验。基坑开挖引起的周围地层变形,基坑周边开始,逐渐往外传递,存在一个位移传递路径,以及需要一个过程。当基坑邻近地铁车站时,基坑周围土层位移问题就更加复杂。
flac2d采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程,并应用了混合单元离散模型,可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点[3,4,5]。利用flac2d程序不仅可以模拟开挖支护全过程,而且还可以得到基坑土体的位移场,应力场,支护结构的应力以及特征点的位移发展趋势等系列图形。Www.11665.Com因此本文采用flac2d程序,讨论有邻近地铁车站存在时基坑周边土层位移特性。
2 计算模型与参数的选取
2.1 计算模型
采用上海地区已建地铁车站近距离进行基坑开挖的一般情况,土层分为六层,基坑分五步开挖,如图1所示。通过二维有限差分程序flac2d计算开挖及支护以及地下建筑物与基坑之间不同的距离对基坑周围位移场的影响。计算网格图见图2,对于地铁车站及地下连续墙采用二维梁单元,支撑结构采用一维杆单元,土体采用四结点平面单元。在地铁车站、基坑围护结构与周围土体之间设置接触面单元。边界约束采用左右两侧水平方向约束,下部边界设竖向约束,上部边界为自由边界。对于开挖及支护过程,采用施工荷载步的方法分步开挖、分步支护,并加预应力。
2.2 计算参数选取
2.2.1 材料本构模型
长条形基坑平行地铁车站,可看作平面应变问题。对于地铁车站结构和地下连续墙材料,由于其弹性模量比土体大的多,因此可按弹性受力状况来考虑,在计算中采用弹性梁单元模拟。土体采用摩尔-库仑非线性弹塑性模型,并假设其为大变形,不考虑时间的影响。
2.2.2 荷载的施加
模型的荷载主要为地层在自重应力作用下的初始应力场,开挖释放应力以及支撑支护应力。在开挖前假设土体内部仅存在由重力产生的初始地应力,且土体初始变形己经完成,设置初始位移场全为零,这样开挖后土体位移场完全是由于开挖作用引起的变形。地下水位在地面下1m深,考虑潜水压的作用。根据开挖深度和荷载的施加,选用五种工况来模拟开挖全过程,并各加预应力200kn。
2.2.3 土层参数
据地勘资料以及上海地区地层物理力学特性,在计算范围内基坑周围土层分为6层,各层土的特性参数如表1所示。
3 计算结果分析
3.1 地铁车站存在对位移场的影响
通过flac2d数值模拟出来的位移场,如图3、4,可以看出:在有无地铁车站情况下,坑周土体的位移场出现很大的不同。无地铁车站存在时,坑内土体隆起,坑周地面下沉;而有地铁车站时,地铁车站的上下土层呈现向上位移趋势,车站与基坑之间的土层亦有些许上抬。这主要是因为基坑开挖时,土体卸荷,打破原来力的平衡,土体进行内力调整,围护结构发生侧移,基坑底部隆起,从而产生土层位移。当有地铁车站存在,由于车站刚度较大,土层位移的连续传递就被中断了。但车站下部的土层位移传递仍然继续进行,由于力的作用,必然对车站产生影响,而也同时对邻近的土层产生影响。而开挖卸荷的土层回弹变形又促进了这种倾斜,所以距离基坑近的土层产生向上的位移。
上海轨道交通8号线人民广场站是一个平行换乘车站,在邻近基坑开挖过程中,监测数据说明邻近地铁车站随着基坑开挖而呈上抬趋势,这与常规的认识相逆。通过上面的数值模拟说明,这是一个正常的现象。
3.2 车站对土体水平位移的影响
基坑开挖后支护结构变形如图5所示。图中曲线的6m分别表示车站与基坑的距离为6m,其它类似,wu表示无地下建筑物时情况。从图中可以看出,由于地铁车站的存在,围护结构水平变形值受很大影响,尤其是最大变形值。车站与基坑支护结构间距越小,车站的遮拦效应越明显,围护结构产生的水平位移越小,也就是对土层水平位移场的影响越明显。
3.3 车站对土体竖向位移的影响
图6为开挖完成后车站与基坑不同间距的情况下各车站底板变形图,从图中可以看出:车站底板基本上整体抬升,靠近基坑的一边大,基坑离车站越近,车站上抬越大。由于车站附近的土层与车站的位移是一致的,即土层位移也是整体上抬,靠近基坑的位移值大,且随车站与基坑间离的减小而增大。图7为车站与基坑间距6m时,不同工况下车站底板变形图,从图上可以看出:随着基坑开挖深度的增加,这种上抬效果越来越明显。也就是土层位移随基坑开挖深度的增加而增大。
3 结 论
通过flac2d程序分析,可以得出以下结论:
(1)地铁车站存在对基坑开挖的土层水平位移具有很大的影响。车站附近的土层的水平位移明显减小,这种遮拦作用不仅对车站后面土层位移效果明显,对车站与基坑之间的土层位移也有显著的作用。且车站与基坑间距越小,遮拦作用越明显。
(2)由于地铁车站的存在,隔断了土体位移的传递路径,地铁车站与土体相互作用,使得土体竖向位移场也发生改变。车站附近的土层向上移动,靠近基坑的位移值大,且位移值随车站与基坑间离的减小、基坑开挖深度的增大而增大。
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