【工程实例】GEO5深基坑支护结构分析实例—— 布拉格地铁C号线 [复制链接]

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2014-08-29

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GEO5深基坑支护结构分析实例——

布拉格地铁C号线

　　“深基坑支护结构分析（Sheeting check）”（以下简称“基坑分析”）是GEO5岩土工程软件套装中全球销量最高的模块。和《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）中提到的弹性支点法相比，GEO5基坑分析模块中采用的弹塑性共同变形法在计算模型上更加符合实际。关于弹性支点法和共同变形法的区别，请查阅帖子（访问geo5.cn/bbs，产品讨论区，基坑支护设计，GEO5中弹塑性共同变形法和基坑规范中弹性支点法的对比）：
http://www.geo5.cn/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=13&extra=page%3D1

　　共同变形法（共同作用法）是欧美、日本等国采用类弹性地基梁方法分析基坑支护、抗滑桩、桩基等结构时最著名也是最常用的方法。
　　采用类弹性地基梁方法分析结构和土体的共同变形时，最重要也是最难确定的一个系数即土的水平反力系数，或称土的水平基床系数。国内常用的方法为m法、c法和K法，这些方法虽然理论比较简单，但是其值的确定大部分时候都是靠工程经验和相似工程类比。GEO5提供了7种不同的计算水平反力系数的方法，均为国外常用方法。每种方法的具体介绍，可以在【水平反力系数】界面点击F1，软件将自动定位到相应的帮助章节。
　　在众多的水平反力系数计算方法中，Menard（梅纳）法是最为准确的方法，因为其输入参数结合了现场原位试验——旁压试验的结果，这使得其计算得到的水平反力系数相对于其他方法更加符合实际情况。
本文介绍的布拉格地铁C号线实例即为采用Menard法计算水平反力系数并结合共同变形法分析基坑支护的例子。

1.1　工程概况
　　布拉格地铁C号线IV. C2段是连接布拉格北部居民区和市中心的交通枢纽之一，极大地方便了该地区居民的出行。C号线IV. C2段内，地下隧道总长4.6km，其中包含2.36km长的暗挖隧道（主要是是双轨隧道）和3个明挖回填式地铁站。
该地铁线路段的设计方案由METROPROJEKT Praha a.s公司提供，并于2004年5月开始施工，至2008年5月交付使用。在IV. C2线路段中，第11标段总长772m，包含Střížkov和Prosek站之间的明挖回填隧道段。Prosek地铁站处于第12标段内，总长205m，也采用明挖回填的方法进行施工。该项目的总挖方量大约为1138000m3。

Třížkov站之间的明挖回填隧道

Prosek地铁站——用于明挖隧道的深基坑

1.2　计算对象

　　在该工程实例中，我们的计算对象是第12标段中采用明挖回填法建造的Prosek地铁站。在施工时，首先在“型钢桩横挡板+锚杆”的支护下进行基坑开挖，然后在基坑内进行Prosek地铁站的施工。车站的主体结构均由现浇钢筋混凝土制作而成，且从下至上可分为三个施工层次：车站站台以下部分、车站站台、地铁站大厅。

Prosek地铁站——完全竣工前

　　该项目采用“GEO5深基坑支护结构分析”模块分析“型钢桩横挡板+锚杆”支护结构。“GEO5基坑分析”模块采用“弹塑性共同变形法”，基坑内外侧土体均采用弹塑性地基梁模型，结构采用杆系有限元模型。相对于有限元法而言，采用该方法可以更快捷地建模以及改变结构的尺寸和参数，从而可以快速地对各种设计方案进行比较，同时还能准确地模拟出各工况阶段中结构的变形情况。

深基坑支护结构分析建模

　　在土的【水平反力系数kh】界面中选择“依据Ménard法计算”，并选择旁压模量Em“通过旁压试验输入”，那么就可以在接下来的【旁压试验】界面中输入旁压试验数据，从而计算出岩土体的水平反力系数。

深基坑支护结构分析模块 - 【水平反力系数kh】界面

输入旁压试验数据窗口

　　旁压试验（PMT）是用可侧向膨胀的旁压器，对钻孔孔壁周围的土体施加径向压力的原位测试。通常情况下，对岩土体的侧向压力通过水压力来施加。试验过程中按照事先设定好的时间间隔来逐渐增大水压力。旁压试验结果可以提供以下两种参数随土体深度z [m]的变化：
　　旁压模量（Ménard模量） Em [MPa] – 该参数通过旁压试验结果计算得到，并和量测腔外膜的材质有关（橡胶套管、射孔套管）。
　　极限压力 pLM [MPa] – 量测腔扩张体积相当于量测腔固有体积（或扩张后体积相当于二倍固有体积）时的压力。
　　基于旁压试验结果，Ménard法计算水平反力系数公式如下：

　　其中：
　　EM - 旁压模量，也可以用岩土材料的压缩模量代替
　　a - 以固支结构底端深度为依据的特征长度，根据Ménard假设，位于坑底以下2/3桩墙嵌固深度处
　　α - 岩土材料流变系数

参考文献：
Menard L., 1975, "The Menard Pressuremeter: Interpretation and Application of the Pressuremeter Test Results to Foundationｓ Design", Sols-Soils, No. 26, Paris, France.

　　关于该方法的详细介绍和各参数的建议取值，可以在《GEO5用户手册》“理论 – 深基坑支护结构分析 – 土的水平反力系数 – 依据Ménard（梅纳）法计算水平反力系数”章节中找到。

1.3　地质条件
　　Prosek地铁站建在由“型钢桩横挡板+锚杆”结构支护的深基坑中。该基坑是一个长205m、宽7~31.5m、高6~20m的不规则六面体。施工过程中，在该基坑的长边设置移动坑线。
　　Prosek地铁站的地层剖面为：

第一层：3-5m厚的黄土（黄土质亚粘土）和洪积土；
第二层：11m厚的具有显著断裂的白垩纪风化砂质泥灰岩；
第三层：4-5m厚的不透水粘土岩；
第四层：约1m厚的含海绿石砂岩；
第五层：数米厚的风化粘土岩；
第六层：以下均为致密砂岩。

　　该地区的地下水位位于地表以下11m处。

工况阶段明细

　　随着开挖深度和锚杆数量的逐级增加，基坑支护系也逐步完成，具体各个工况阶段如下：

开挖至3.0m深，在2.5m处施加第1层锚杆；
开挖至6.5m深，在5.5m处安装第2层锚杆；
开挖至9.0m深，在8.5m处安装第3层锚杆；
开挖至11.5m深，在11.0m处安装第4层锚杆；
开挖至13.5m深，在13.0m处安装第5层锚杆；
开挖至15.0m深。

1.4　模拟计算
　　基坑开挖期间，选择基坑最深处剖面，在锚杆的锚头部位安装监测装置，监测该剖面上锚杆的水平位移，并将监测结果与“GEO5基坑分析”模块得出的计算结果进行对比，可知计算结果与实际监测位移基本一致。

基坑分析模块计算得到的结果（红色为结构位移）

实际监测位移与计算结果的对比（红色点为锚杆监测位移）

1.5　结论

　　基于上述工程实例，可以得出“GEO深基坑支护结构分析”模块具有以下优点：

软件操作方便易学；
软件界面简洁直观；
高度可视化的输出结果；
快捷定义多工况阶段；
快速准确的分析计算。

　　基于旁压试验测量结果，使用Menard法计算土的水平反力系数并结合共同变形法可以得到结构和土体的真实变形情况。Menard法避免了计算土的水平反力系数时m法、c法、K法等需要靠经验判断的缺陷，计算得到的结果和实际监测结果相比更加接近。从水平位移的现场监测结果可知，采用“GEO5基坑分析”模块计算得到的结果是正确的，因此，该软件是模拟基坑支护结构真实变形和内力的理想软件。

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