基于HSS模型的地铁车站深基坑变形特性分析
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摘 要
本文以南通地铁1号线宏兴站深基坑工程为研究背景，基于Plaxis2D 采用小应变土体硬化（HSS）模型对车站基坑开挖过程进行数值模拟，结合车站基坑实测数据，将计算结果与实测数据进行对比分析，验证了HSS模型在南通地区的适用性。对南通地区后续地铁车站深基坑设计、施工有一定的借鉴意义。
关键词
地铁车站;基坑变形;Plaxis2D;HSS模型
中图分类号： U231.3 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.063
0 引言
地铁车站深基坑开挖引起周边地表沉降变形问题越来越受到人们的重视。为了保证基坑支护结构的可靠性和周边环境安全，需要预测分析深基坑变形规律，以便更好地控制基坑开挖对周边环境影响。通过基坑监测数据与数值计算相结合的分析方法已成为目前基坑开挖变形分析的常用方法。而数值分析方法的关键在于选取合适的土体本构模型和计算参数。大量的工程实践表明[1-3]，在基坑开挖施工过程中，除了少部分土层会发生塑性变形外，绝大部分区域处于小应变应力状态，土体应变在0.01%～0.1%之间。研究表明，在小应变应力状态下，土体会表现出高刚度，明显的非线性，各向异性，屈服连续性和结构性等变形特点。土体硬化小应变模型条件下模拟的地层沉降情况更符合工程实际情况。各地对HSS模型应用于基坑变形和基坑施工对周边环境管线影响分析的适用性进行了有益探索[4-7]。对于南通地铁车站基坑的变形规律，尚缺乏认识。
本文在南通地铁宏兴路站地层相关参数基础上，依据经验参数和PLAXIS参考手册参数确定小应变参数，再结合车站基坑开挖实际工况，利用有限元软件Plaxis，模拟基坑开挖过程，并与实测数据对比，验证模型适用性。为后续地铁车站设计、施工提供依据。
1 工程概况
1.1 基坑概况
表1 基坑施工工况
宏兴路站为11m岛式站台地下二层车站，车站净长202m，净宽19.7m。标准段基坑开挖深度为16.7m，端头井基坑开挖深度为18.5m。车站标准段地下墙深30.3m，插入比约0.80;端头井地下墙深34.7m，插入比约0.85;标准段设置四道支撑，端头井段设置四道支撑+一道换撑;其中第一道为混凝土支撑，其余均为钢支撑。地铁车站基坑工程的施工工况如表1所示。
1.2 工程地质
本车站基坑坑底位于3-2层粉砂中，开挖深度内以粉土、粉砂为主，依次为1层填土、2层粉砂夹砂质黏土、3-1层粉砂夹砂质黏土、3-2层粉砂;开挖面以下依次为4-1淤泥质粉质黏土，4-1t粉砂夹黏质粉土、4-2层粉质黏土夹砂质粉土、5-1粉砂夹黏质粉土、6层粉质黏土。标准段及端头井地下墙墙趾均插入4-1层淤泥质粉质黏土，详见图1。土体物理特性参数，详见表2。
2 基坑开挖数值模拟
2.1 本构模型
采用大型岩土工程有限元软件PLAXIS 2D对本项目进行计算分析，由于本研究区域土层缺乏土体小应变试验参数，计算模型中小应变参数依据经验参数和PLAXIS参考手册参数采用下表数值进行计算，详见表3。本文选取车站一个标准断面建立平面应变模型来计算分析整个基坑开挖过程，计算模型详见图2。
2.2 计算结果分析
从图3、图4中地下连续墙的侧向变形和地表沉降情况来看，变形趋势与理论结果及工程实际经验基本吻合，说明本文中数值计算部分的模型的建立及参数的选取基本正确。
3 模拟结果与监测数据对比分析
3.1 地下连续墙侧向变形对比分析
图5、图6和图7分别给出了工况3开挖过程中墙体变形的计算值和实测值对比。通过实测值与计算值对比可知，墙体水平位移的计算值和实测值的分布规律基本一致，墙体变形形态均为向坑内的鼓肚形。
随着基坑的向下开挖，墙体的变形逐渐增大，最大变形位置逐渐下移，基本处于每层开挖面以下附近。开挖到坑底，墙体最大变形的有限元计算值为42.4mm，约为0.25%H，实测值为 27.1mm，约为0.16%H，H 为基坑开挖深度。計算值稍大于实测值，两者相差为0.09% 。分析表明，有限元计算与实测墙体变形规律相同，吻合得较好。
3.2 地表沉降对比分析
本文在建模过程中考虑墙后土体，通过计算给出了墙后地表的变形值，并与实测值进行比较，如图8所示。由此可知，墙后地表沉降的计算值和实测值的分布规律基本一致，沉降形态为勺形。随着基坑土体的开挖，地表沉降逐渐增大。开挖到坑底，地表最大沉降的计算值为27.2mm，约为0.16%H，H为基坑开挖深度，位置距墙边15.8m，0.95H;实测值为17.5mm，约为 0.1%H，位置距墙边9.46m，0.57H。计算值和实测值基本一致。
4 结论
通过对南通地铁1号线集成村站深基坑的数值模拟，对深基坑开挖变形特性进行对比分析，得出以下结论：
采用HSS本构模型对基坑工程进行了数值分析，并将计算的成果和监测数据进行了对比，两者较为接近，进一步验证了HSS本构模型在南通地区的适用性。
在基坑开挖过程中，地下连续墙的水平位移曲线呈现凸向坑内的鼓肚形;随着基坑开挖变形逐渐增大，最大位移发生在开挖面附近，最大位移值0.16%H。
墙后地表沉降呈现为凹勺形，沉降值随着开挖深度逐渐增大，最大沉降位置距坑边0.57H倍开挖深度左右，最大沉降值0.16%H。
参考文献
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