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成都地铁天府广场深基坑支护的数值模拟分析
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内容提示：运用有限差分方法对天府广场第一台阶喷锚支护进行了数值模拟及分析研究。得到了地表沉降曲线及基坑位移矢量图,分析了深基坑周边地表及基坑支护变形分布规律,为基坑工程的设计和施工提供指导及提供优化设计方案。 【
【摘 要】 运用有限差分方法对天府广场第一台阶喷锚支护进行了数值模拟及分析研究。得到了地表沉降曲线及基坑位移矢量图,分析了深基坑周边地表及基坑支护变形分布规律,为基坑工程的设计和施工提供指导及提供优化设计方案。（参考《建筑中文网》）
【关键词】 基坑支护; 数值模拟; 喷锚; 沉降; 位移
1 工程概况
成都地铁天府广场工程项目占地48000m2,基坑最深处埋深28m。该地下综合体由4层结构组成,1、2层为地下商业区,3层为地铁1号线站台层和2号线站厅层,4层为地铁
2 号线站台层。
该基坑工程地处成都市商业、政治和文化的中心地带,工程建设的成败,影响巨大。其中以第一台阶喷锚支护工程量最大。
工程设计的地层主要为第四系全新统人工填筑土、冲积层;第四系上更新冲积、冰水沉积层,中更新统冲积、冰水沉积层;白垩系上白垩统灌口组。地下水为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水,含水层总厚5~30m。地下水径流条件良好,渗透系数K=10~20m/d,主要补给源为大气降水。
2 数值模拟
2.1 计算工况
天府广场深基坑工程第一台阶开挖深度为8.064m,土层力学参数见表1。采用喷锚网支护,土钉共布置7排,纵横间距1.2m,7个开挖阶段,见图1。土钉使用Φ48钢管并灌浆处理,然后挂钢筋网与喷射混凝土。
2.2 模型的建立
本计算模型将深基坑简化为二维平面应变问题,采用拉格朗日有限差分程序。本构模型选取能较好地描述土体在塑性破坏阶段变形特性的理想弹塑性本构模型——Mohr-Coulomb屈服准则。
图2为计算模型网格划分图。计算域选取距基坑壁40m范围,为基坑开挖深度的5倍;土层深20m范围,为基坑开挖深度的2.5倍。土层分2600单元;土层开挖采用null单元;喷混凝土采用beam单元;土钉采用cable单元。忽略钢筋网的作用以保证计算结果偏于安全。图3图4为第1及第7步开挖支护计算图(其它各步与此类似,图略)
3 结果及分析
3.1 地表沉降
用于基坑稳定性分析的传统极限平衡分析方法,不能得到任何有关变形的信息。在深基坑开挖过程中,基坑周围地表沉降是不可避免的。当基坑周围有建筑物或市政设施时, 控制基坑周边地表沉降显得尤为重要。数值模拟方法可以准确得到地表沉降数据,图5为天府广场周边基坑地表沉降分布曲线。
基坑地表沉降沿坑壁水平方向呈曲线分布,距坑壁4m处沉降最大,沿远离坑壁方向逐渐减小,距离坑壁越远变化幅度越小,最终趋于定值。每开挖一步,在基坑顶面都有一定的沉降增量,每步开挖形成的沉降分布曲线形状相似。第7步开挖支护完毕后,地表沉降最大值为6.1mm,小于0.1%基坑深度,满足规范对一级基坑地表沉降的要求。
3.2 基坑水平位移
预测并控制地表沉降对周边建筑物的安全使用和正常运营很重要。同样,预测并控制基坑支护的水平位移对工程本身的安全施工却是至关重要的。由图6和图7的位移矢量图,可以看出基坑水平位移并不是象悬臂支护那样出现在基坑顶部,而是发生在基坑开挖深度的中部,并随着基坑向下开挖,最大水平位移的位置向下移动。基坑支护水平位移最大值为2.5cm,约为0.3%基坑深度,并小于3cm,能满足基坑安全要求。
4 结束语
(1)在基坑开挖喷锚网支护过程中,周边地表沉降值很小,并不比其他支护方法更大。
(2)在基坑开挖喷锚网支护过程中,基坑水平位移相对较大,虽能够保证安全要求,仍然要引起重视,加强施工变形监测。如发现水平位移过大,及早采取加强措施,确保消除安全隐患。
(3)单纯以保证基坑稳定的强度控制设计方法已经不能满足生产实践的需要。根据周围环境的保护要求,以变形控制的设计方法代替现有的强度控制设计方法,将是基坑工程设计理论发展的重要趋势。基坑开挖数值计算分析可对基坑支护的受力、变形及破坏模式等力学行为进行较全面的分析研究,可为基坑工程的设计和施工提供指导,提供优化设计方案。
(4)在成都这种砂卵石为主的地层中,喷锚网支护是比较经济可行的基坑支护方式,但要确保钢管土钉的灌浆量。
参考文献
[1] 中国建筑西南勘察设计研究院.成都市地铁天府广场综合改造工程岩土工程勘察成果报告[R].2004.
[2] RichardBrummer.FLACandNumericalModelinginGeomechan-ics,Netherlands:Swets&ZeitlingPublisher,2003.
[3] 李青林.地铁车站基坑变形规律及施工控制方法[J].市政技术,2005.
[4] 赵锡宏.大型超深基坑工程实践与理论[M].北京:人民交通出版社,2005.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200810/9118.htm
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