基于流固耦合的地鐵車站下穿橋墩深基坑降水方案優(yōu)化

基于流固耦合的地鐵車站下穿橋墩深基坑降水方案優(yōu)化

深孔開挖的坍塌和坍塌不可避免地會(huì)導(dǎo)致洞周圍表面的沉降和層的移動(dòng)，從而影響和破壞現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有的樁基中，井和壩水坑的水平位移變化的影響往往是顯著的。在樁體中，有很多張力斷裂和彎曲，這使得上部結(jié)構(gòu)的功能失敗。因此，研究鄰近樁降水對周邊樁基的影響規(guī)律，并制定可行的變形控制對策非常重要。目前，一些科學(xué)家采用實(shí)驗(yàn)分析和理論分析的方法對這一問題進(jìn)行了大量的研究。然而，當(dāng)邊界條件復(fù)雜，地層變化多樣，地下水豐富時(shí)，試驗(yàn)方法和理論方法是無法應(yīng)用的。更快有效的方法是數(shù)值模擬。然而，當(dāng)前的模擬工作主要集中在對相鄰樁基的影響規(guī)律上，而不考慮地下降水和挖井過程中地下水和土壤侵蝕的結(jié)合。對于各種技術(shù)加固措施（如隔離樁、主動(dòng)區(qū)加固、被動(dòng)區(qū)加固等），對相鄰樁基的變形、控制效果和控制規(guī)律的研究很少。本文依托武漢地鐵2號線循禮門車站工程,采用考慮地下水與土體耦合作用的三維數(shù)值模擬方法探討深基坑降水開挖對鄰近輕軌樁基的影響規(guī)律;然后對各種工程加固措施的位移控制效果進(jìn)行了分析,并著重論述被動(dòng)區(qū)加固參數(shù)對輕軌樁基位移的影響規(guī)律.1工程概況和數(shù)值模型1.1基坑底地條件循禮門站周圍建筑物密集,東側(cè)為輕軌1號線高架橋,地連墻與輕軌橋墩承臺的最小間距不足1.5m,如何控制施工對樁基的影響是重中之重.車站標(biāo)準(zhǔn)段寬30.5m.主體結(jié)構(gòu)頂板覆土2.4～5.3m,底板埋深20.5m,坑底位于粉細(xì)砂層上.在輕軌橋墩附近采用蓋挖順作法施工,蓋挖段基坑寬23.5m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.8m地連墻+內(nèi)支撐(內(nèi)支撐共設(shè)5道,第2道為Φ609(壁厚16mm)鋼支撐,其余為鋼筋混凝土支撐).地連墻底部埋深51m,進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖1.5m.場地地層分布見文獻(xiàn)中的圖1.地下水有上層滯水和承壓水2種,上層滯水賦存于雜填土中,埋深為0.5～2.0m.承壓水賦存于粉細(xì)砂中,與上覆粉土粉砂互層構(gòu)成統(tǒng)一承壓含水層.輕軌橋墩的加固方案及加固范圍見文獻(xiàn)中的圖2.1.2數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分本文采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算范圍以蓋挖段為中心,沿長度方向延伸220m,沿輕軌方向延伸230m,豎向取至地表以下60m的深度(基巖面以下約12m),計(jì)算模型尺寸為220m×230m×60m,輕軌橋墩取至承臺以上4m.所有對象均采用實(shí)體單元來模擬.注漿加固區(qū)、旋噴樁加固區(qū)等均簡化為各向同性的均勻材料.模擬中,土體(包括旋噴樁加固區(qū)及注漿加固區(qū)等)采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則.而輕軌橋墩、隔離樁、地連墻、抗拔樁、臨時(shí)立柱、支撐及冠梁等混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件則采用線彈性模型.依據(jù)勘察報(bào)告,表1給出了部分材料的物理力學(xué)參數(shù)(其他物理力學(xué)參數(shù)見文獻(xiàn)中的表1).模型的邊界條件為:橋墩上表面為垂直荷載邊界,4側(cè)為法向約束,底面固定.Q2和Q3橋墩承受的上部結(jié)構(gòu)最大豎向荷載分別為16MN和15.2MN,將其轉(zhuǎn)化為均布荷載,施加在模型中輕軌橋墩的上表面.模型中考慮地下水與土體的流固耦合作用.由于地連墻及止水帷幕已隔斷承壓水進(jìn)入基巖,且由現(xiàn)場抽水試驗(yàn)可知,降水井內(nèi)水位恢復(fù)相當(dāng)緩慢,這表明深入基巖的止水帷幕和地連墻對地下水的阻隔效果較好,滲漏量很小,因此對基巖、連續(xù)墻的透水邊界條件進(jìn)行適當(dāng)簡化,即假定基巖、連續(xù)墻為不透水介質(zhì).在模型的右、前、后3側(cè),由于地下水受長江的水力補(bǔ)給,設(shè)定為定水頭邊界;由于基坑為狹長矩形,模型左側(cè)截?cái)噙吔缣幓静粫?huì)有地下水流入(出),因此設(shè)置為不透水邊界;降水井側(cè)壁處設(shè)置為定流量的泄漏邊界.另外,由于樁和土、地連墻與土之間存在明顯的剛度差異,在受力過程中可能出現(xiàn)相對滑移,因此在樁與土、承臺與土、地連墻與土之間的界面處設(shè)置了接觸單元(Interface).考慮到泥漿護(hù)壁成樁易形成“泥皮”,弱化了樁側(cè)極限摩阻力.按照Potyondy及Acer等的研究成果,計(jì)算中界面黏聚力及界面摩擦角取為相鄰?fù)馏w黏聚力和內(nèi)摩擦角的0.6倍.整個(gè)模型網(wǎng)格劃分如圖1所示.具體模擬過程為:形成初始應(yīng)力場;施工輕軌橋墩,并施加墩頂荷載,形成基坑施工前的應(yīng)力場;設(shè)置地連墻、隔離樁,進(jìn)行注漿、旋噴樁加固;位移場歸零(只分析基坑降水開挖引起的位移),進(jìn)行基坑降水(一次性降至地表以下22.80m);挖除第1層土體;架設(shè)第1道支撐,并開挖第2層土體;依次架設(shè)第2～5道支撐,同時(shí)依次開挖第3～6層土體,直至坑底;澆筑底板及部分側(cè)墻、中柱,拆除第5和4道支撐;澆筑中板及部分側(cè)墻、中柱,拆除第3和2道支撐;澆筑頂板,拆除第1道支撐,并回填至地表.其中,在進(jìn)行每層土體的開挖和支撐過程中,還考慮到基坑縱向的分段開挖(計(jì)算域內(nèi)有5個(gè)節(jié)段),整個(gè)過程共有44個(gè)計(jì)算步.2結(jié)論分析2.1地表沉降占總沉降量的比例不同施工步下標(biāo)準(zhǔn)段及蓋挖段坑外地表沉降s隨與地連墻之間的距離L的變化曲線如圖2所示.由圖可知:基坑外地表沉降呈拋物線分布,隨著基坑降水開挖的進(jìn)行,坑外地表沉降逐漸增大,且最大值出現(xiàn)的位置距地連墻的距離也有一定程度的增長.從各施工步引起的地表沉降量的大小來看,基坑降水的影響是最為明顯的,對于標(biāo)準(zhǔn)段和蓋挖段而言,基坑降水引起的地表沉降占總沉降量的比例分別達(dá)到了39.1%和37.7%;因此,當(dāng)進(jìn)行基坑變形分析時(shí),考慮降水引起的土體滲流固結(jié)是必不可少的.基坑開挖完成后標(biāo)準(zhǔn)段和蓋挖段坑外最大地表沉降分別為31.9mm和16.2mm.蓋挖段坑外地表沉降只有標(biāo)準(zhǔn)段的一半.其原因是:a.由于隔離樁、主動(dòng)區(qū)注漿加固及被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固等工程措施的加固作用,大大提高了土體的力學(xué)性能;b.蓋挖段基坑寬度比標(biāo)準(zhǔn)段小很多,坑底土體的隆起程度及降水引起的坑內(nèi)土體壓縮變形也會(huì)小很多,相應(yīng)地,坑外土體的地表沉降也就大幅度降低了.比較圖2(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn):標(biāo)準(zhǔn)段與蓋挖段坑外地表沉降的分布形態(tài)也略有差別,主要表現(xiàn)為:a.由于受到隔離樁及主動(dòng)區(qū)注漿加固體的“遮攔”作用,因此蓋挖段坑外地表沉降最大值發(fā)生的位置更靠外;b.由于主動(dòng)區(qū)注漿加固體與外側(cè)土體的剛度差異,蓋挖段坑外地表沉降在6m位置處出現(xiàn)拐點(diǎn).2.2地連墻水平位移的影響圖3給出了不同施工步下標(biāo)準(zhǔn)段及蓋挖段地連墻水平位移w沿深度h的變化曲線.地連墻大體上呈現(xiàn)出兩端小、中間大的變形形態(tài).由于基坑采用的是一次性降水方案,地連墻內(nèi)外產(chǎn)生了較大的水頭差,且在整個(gè)降水過程中坑內(nèi)支撐尚未架設(shè),因而導(dǎo)致降水引起的地連墻水平位移占最終水平位移的比例很大(標(biāo)準(zhǔn)段和蓋挖段分別達(dá)到了41.0%和42.2%).另外,隨著開挖深度的增加,地連墻最大水平位移逐漸增大,最大水平位移發(fā)生的位置也不斷下移.在基坑降水及表層土體開挖時(shí),地連墻最大水平位移發(fā)生在墻頂附近.隨著后續(xù)開挖的進(jìn)行,最大水平位移發(fā)生的位置也逐漸轉(zhuǎn)移到坑底開挖面下3m的位置處.2.3考慮彎矩控制作用的橋墩水平位移分布由于Q2墩及Q3墩距離地連墻的中心間距均不超過6m,由圖2可知此范圍內(nèi)地表沉降較小,相對于其撓曲變形而言,橋墩沉降可忽略.在此情況下,樁身彎矩起控制作用,因此本文僅給出輕軌橋墩的水平響應(yīng)(以下列出的樁身響應(yīng)均為同一群樁基礎(chǔ)內(nèi)4根單樁響應(yīng)的平均值).圖4給出了不同施工步下Q2墩及Q3墩群樁基礎(chǔ)內(nèi)4根單樁的平均水平位移w1沿深度h分布曲線.不難看出:橋墩樁基的水平位移分布規(guī)律與蓋挖段地連墻的水平位移分布規(guī)律非常類似,只是數(shù)值上要略小一些.當(dāng)基坑施工完成時(shí),Q2墩樁基的最大水平位移為23.3mm,Q3墩樁基的最大水平位移為24.4mm.3進(jìn)行防護(hù)樁加固變形控制措施可分為2類:第1類,采取各種加固措施對樁基進(jìn)行防護(hù),如隔離樁、主動(dòng)區(qū)注漿加固及被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固等;第2類,通過調(diào)整優(yōu)化降水方案、開挖順序及每步開挖尺寸等對樁基進(jìn)行防護(hù).在此分析2類變形控制措施的控制效果.3.1分層降水方案下橋墩樁身水平位移分布如前所述,基坑降水引起的樁身變形非常顯著,因此在深大基坑的實(shí)際施工中,往往采用分層降水方案,即每次將水位降至各層土體開挖面下1～2m,降水與開挖交替進(jìn)行.圖5給出了不同降水方案下橋墩最終樁身水平位移w1分布曲線.相對于一次性降水方案,分層降水方案下樁身最大水平位移有一定幅度的降低,尤其是中上部.其中:Q2墩及Q3墩樁身最大水平位移降低的幅度分別為15.2%和13.7%;Q2墩及Q3墩承臺頂部水平位移降低的幅度分別達(dá)到了50.3%和58.6%.可見通過優(yōu)化降水方案來控制基坑施工對鄰近樁基影響的效果還是比較明顯的.3.2動(dòng)區(qū)注漿加固圖6給出了5種不同加固方案下Q2墩和Q3墩最終樁身水平位移w1分布曲線.其中:A表示無隔離樁、主動(dòng)區(qū)注漿加固和被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固等加固措施;B表示只有被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固;C表示只有主動(dòng)區(qū)注漿加固;D表示只有隔離樁加固;E表示同時(shí)有隔離樁、主動(dòng)區(qū)注漿加固和被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固3種措施.計(jì)算結(jié)果顯示:相對于無加固方案(即工況A),工況B～E情況下Q2墩(Q3墩)樁身最大水平位移分別降低了22.1%(19.8%),12.0%(13.2%),14.2%(15.6%)和50.7%(51.3%).總體上看,在基坑降水開挖階段(不包括地連墻成槽階段),隔離樁、主動(dòng)區(qū)注漿加固和被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固3種措施中,被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固的效果最為明顯.在同時(shí)采用3種加固措施的情況下,其組合位移控制效果基本上就是三者各自位移控制效果的線性累加.4被動(dòng)區(qū)域旋轉(zhuǎn)樁加固參數(shù)分析4.1加固深度對樁身最大水平位移的影響被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固深度(保持加固體上表面與基底齊平)對橋墩樁身最大水平位移的影響的研究表明:隨著加固深度的增加,樁身最大水平位移呈非線性減小;加固深度越大,樁身最大水平位移隨加固深度的變化梯度越小,樁身水平位移區(qū)域穩(wěn)定.這表明基底加固深度存在一個(gè)臨界范圍,當(dāng)基底加固深度超過6m后,繼續(xù)增加加固深度的意義不大.因此對于類似工程而言,基底加固深度不宜超過6m.4.2高固結(jié)構(gòu)橋墩樁身位移變化橋墩樁身最大水平位移隨被動(dòng)區(qū)旋噴樁加固體模量的變化規(guī)律的研究表明:在基底局部深度范圍加固的情況下,橋墩的水平位移隨著加固程度的增加而逐漸減小.但當(dāng)水泥土的模量大于約225MPa(約為基底原土體模量的15倍)時(shí),橋墩樁基的最大水平位移趨于穩(wěn)定.其主要原因是加固體的整體剛度達(dá)到一定程度后,繼續(xù)增加加固體的剛度,橋墩樁基最大水平位移發(fā)生的位置不再是基底以下3m處,而是逐漸向上轉(zhuǎn)移,且最大值出現(xiàn)的位置距被動(dòng)區(qū)加固體越來越遠(yuǎn).相應(yīng)地,被動(dòng)區(qū)加固體對該點(diǎn)的位移控制能力也逐漸減弱,樁身最大水平位移隨加固體模量增長的幅度逐漸減緩.這說明當(dāng)采用深層攪拌法進(jìn)行地基局部加固時(shí),水泥土的置換率達(dá)到一定程度后,再提高置換率來控制鄰近柱基的側(cè)向變形并沒有顯著的效果.4.3加固體區(qū)的埋深對橋墩樁身最大水平位移隨被動(dòng)區(qū)加固體出現(xiàn)的位置變化規(guī)律的研究表明:隨著加固體出現(xiàn)的深度增大,橋墩樁基