列车动荷载作用下基坑变形规律研究

第２２卷第４期　安徽建筑大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．４　２０１４年８月　Ｊｏｕｒａｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ａｕｇ．２０１４　列车动荷载作用下基坑变形规律研究　杨　伦，　曹　顺　（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥２３０００９）　摘要：以南京地铁２号线项目作为背景，使用Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ建立三维模型，在列车动荷载的作用下对基坑模　型进行了动力分析，预测当地铁运行时，列车动荷载对地表土体、基坑围护结构以及对地铁隧道的影响。通　过数值模拟分析，研究结果表明列车动荷载对地表沉降以及基坑围护结构的受力与变形影响较小，且沉降趋　于稳定，基坑不会发生失稳。　关键词：动荷载；Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ；动力分析；基坑围护桩　中图分类号：ＴＵ４７３．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４５４０（２０１４）０４—０４９—０５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｈｅ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｌａｗ　ｏｆ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｉｔ　Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ｔｒａｉｎ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｌｏａｄ　ＹＡＮＧ　Ｌｕｎ．　ＣＡ０　Ｓｕｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｎａｎｇｊ　ｉｎｇ　ｓｕｂｗａｙ　ｌｉｎｅ　ｐｒｏｊ　ｅｃｔ　Ｎｏ．２，ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｕｓｉｎｇ　Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ，ｔｏ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｔｓ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｌｏａｄ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ，ｉｔ　ｃａｎ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｏｉｌ，ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｍｅｔｒｏ　ｔｕｎｎｅ１．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ，　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｉｎ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｌｏａｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｖｅｒｙ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ａｎｄ　ｓｅｔｔｌｅ—　ｍｅｎｔ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ，ｔｈｅ　ｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｇｏｉｎｇ　ｔｏ　ｈａｐｐｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｙｎａｍｉｃ　ｌｏａｄ；ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ；ｄｙｎａｍｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｒｅｔａｉｎｉｎｇ　ｐｉｌｅｓ　０　引　口　通压力的有效方法。近些年，许多深基坑工程伴　随着地铁的修建而产生。　地铁已经开始逐渐成为城市轨道交通主要的　本文以南京地铁２号线城西干道改造项目为　构成部分，地铁与其他交通工具相比具有一系列　背景，采用Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ软件建立数值模型，研究　的优点，如运载量大、运行速度快、到站时间准确、　基坑围护结构的变形、内力以及在列车振动荷载　不堵车等。地铁具有很高的安全稳定性，不论地　作用下动态分析，并预测在地铁运行期间，地表土　面道路交通的拥堵程度，其都可以按照计划运行。　体与既有隧道结构所受到的影响。　随着科学技术的发展，地铁网络逐渐完善，当代社　列车动荷载对临近基坑稳定性的研究经历了　会已经认可了地铁的优势，使其成为降低城市交　一个漫长的过程：　收稿日期：２０１４—０４—２４　基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（２０１２ＨＧＺＹ００２４）。　作者简介：杨伦（１９８８一），男，硕士生，主要研究方向为岩土工程。　５０　安徽建筑大学学报（自然科学版）　第２２卷　Ｋｒｙｌｏｖ（１９９５年）ｌ】］把周期性支撑的Ｅｕｌｅｒ　梁模型作为研究对象，研究了当列车高速运行时　会使地面振动产生放大的现象。同时他又指出：　工风险极高。为了确保在基坑开挖期问，地铁２　号线安全运行，除了应对基坑进行常规临测，还要　对地铁线路进行动态监测。　在铁路沿线旁边的地面边会由于列车的快速运行　而使地面产生实质性的振动并且振动速度可能比　地基土表面波的传播速度快。　刘维宁等（１９９６年）¨２］研究了当地铁运行时　会对周围环境产生振动波，采用Ｎｅｗｍａｒｋ分析　的方法，分析了此波的传播规律，获得了在离地铁　不同位置处的土层与隧道的振动情况并且得到了　离地铁隧道中心线一定范围处的主频带上存在振　动放大区。　图ｌ清凉门干道改造工程与地铁２号线剖面关系图　Ｃａｓｔｒｅｎｚｅ　Ｐｏｌｉｚｚｏｔｔｏ（２００３年）ｌ３　分析了当　弹塑性体上作用周期荷载时，弹塑性体的稳态响　应问题。当材料处于弹塑性状态时，应该考虑它　的流动法则、初始应力状态与材料的硬化特性通　过采用最小值原理来获得材料的稳态解析解。　ｌ柑　鲁　｝　》　．ｉ　ｌ　刘素锦等（２００９年）ｌＩ４　分析了当车辆动荷载　作用于基坑围护结构时，他们把车辆动载等效为　集中荷载与等厚土层，同时他们还分析了规范中　常用的三种动荷载对基坑围护结构的稳定性所产　生的影响。　譬　！翼ｌ　一＿黪Ｊ　蚍一　『　一ｌ＿　专　懿￡ｊ∞　１喜　瞄　！　！ｌ　４　ｌ　Ｉ　《毽ｉ　图２干遭改造工程与地铁２号平面关系　新建城市道路改造工程的隧道基坑采用钻孔　灌注桩来对基坑进行围护，由于坑底距离既有隧　道结构较近，于是在进行围护桩的施工时，应采用　合理的措施来降低基坑周围土体的扰动与临近既　有地铁隧道的变形。同时对基坑的围护桩应进行　信息化施工。基坑围护桩平面布置如图２所示。　１　工程概况　南京城西干道综合改造工程的隧道基坑在清　凉门与地铁二号线相交处，基坑围护结构采用钻　孔灌注桩。该处基坑的开挖深度为８．５ｍ，开挖到　设计标高并且在竖商方向设置三道钢支撑，竖向　没置的二道支撑均为０６０９　ｍｍ，　一１２ｍｍ的钢管　支撑。基坑底部到下部地铁隧道顶部的净距离为　２动荷载作用下的数值分析　２．１动力模型的建立　本工程采用岩土隧道专用的ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ　有限元软件进行数值模拟分析，基坑的实际开挖　长度、宽度与深度分别为４２　ｒｎ、２８　ｍ、８．５　１ＴＩ，建立　有限元模型相应的尺寸为２００　ｍ、１２０　１Ｗｌ、５０　１ＴＩ。　５ｍ，隧道基坑依次穿过杂填土、素填土与软塑粉　质粘土，基坑底部以下４ｍ与地铁２号线周围的　土体采用水泥土加固（如图１）。清凉门隧道基坑　围护桩的长度在与地铁隧道平行的方向为　采用的各个土层的计算参数来源于清凉门隧道段　地质勘察资料，具体各个土层的厚度与物理性质　如表１所示。利用Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ数值模拟软件对　列车动荷载进行模拟分析时，需要分为两步进　行　引。首先是特征值分析以便获得计算模型的振　动周期，为下一步的时程分析做准备；其次是输入　列车动荷载以及模型的振动周期进行时程分析，　获得动荷载作用下基坑围护结构的动力特性。模　２１．３　１＂Ｉ１，在与地铁隧道垂直的方向为１２．５　ＩＴＩ。清　凉门隧道上跨南京地铁２号线处基坑围护结构的　剖面图如图１所示。　新建城市道路改造工程的隧道基坑，该基坑　上跨南京地铁２号线，研究基坑的里程为Ｋ３＋　０００￣Ｋ３＋０４２（新建基坑与既有隧道的平面关系　如图２所示），坑底到地铁二号线衬砌顶部的最小　距离为５ｍ并且该基坑所处的地质条件较差，施　型中地铁运行时产生的动荷载的布置具有多样　第４期　杨伦，等：列车动荷载作用下基坑变形规律研究　５１　性，即可以是　一列车动荷载作用的情况，也可以　足多个动荷载同时作用的情况　。　其中，Ｆ（ｆ）为列车振动荷载；Ｐ。为车轮静载；Ｐ　、　Ｐ。、尸。分别为振动荷载幅值，∞　、∞　、　。为各振动　荷载幅值对应的圆频率。　粱波　用一个简单的、能够反映列车动荷载频　率、周期特点的类似激振形式的力来表达（式１）。　ＦＯ）一Ｐｏ＋Ｐ１　ｓｉ蚴ｌｔ＋Ｐ２　ｓｉｒ　ｔ＋Ｐ３ｓｉ呦３ｔ（１）　层弓　地铁运行荷载的位置与列车时速为６０ｋｍ／ｈ　的荷载波形图，分别如图３与图４所示。　Ｅ／ＭＰａ　中／（度）　表ｌ计算采用的土层参数　ｋ层名称　杂填土　索填土　层厚／ｍ　重度／（ｋＮ／ｍ。）　①　②　③　软塑粉质粘土　粉质粘土　残积土　中风化泥质粉砂岩　④　⑤　⑥　２　兰　螺　迎　’；—　二ｌ：．－；　。　。’　’　’　’　ａ）列乍动茼域作川　｛・侧地铁隧道　时间ｔｓ，　图　ｌ地铁运行时振动荷载图　２．２特征值分析的边界约束　为了进行特征值分析要首先定义计算模型的　边界条件，该计算模型的边界条件使用弹性边界．　即是建立曲面弹簧来模拟模型的弹性边界情况，　然后采用铁路设计规范规定的方法求出弹簧常　量。在定义模型边界时，需要有两个物理量即水　平地基反力系数与竖直地基反力系数。在用Ｍｉ—　ｄａｓ／ＧＴＳ有限元软件来建立曲面弹簧时，软件的　菜单里有三个参量（ｋ　、ｋ　与是　），分别输入到对　应的界面上，其中是　和是　与水平地基反力系数　相对应，是　与竖直地基反力系数相对应。采用公　０’’ｋ：＝＝＝＿‘。。　＝：：＝＝ｊ　ｃ）州　动曲拔作川　ｆ９１４地铁隧道　作川靠　式计算出在模型进行特征值分析时所需的弹性边　界值如下表２所示，单位为ＫＮ／ｍ。。　表２模型的边界值　和　图３地铁荷载作用的位置　杂填土　ｉ０８６．１５３　１１９９．１ｌ３　９６６．５６８ｌ　素填土　软塑粉质粘土　粉质粘　ｔ　残积土　１０６７．０９１　１２５８．５２　４５５．０５９　１４１４．２２　５１１．３６　１３６５．８３４　９８８３３．５２　１２１５．４６５　８７９５１．９８　｛１风化泥质粉砂岩　５２　２．３时程分析的边界约束　安徽建筑大学学报（自然科学版）　第２２卷　定义模型的边界：在模型中，为了模拟地铁运　时，模型的边界菜单里有三个量分别为Ｃｒ、ｃ　、　并且这三个量一定要输入对应的数值以便用　，行时产生移动荷载的动力分析，要采用吸收边界　来代替弹簧。地铁移动荷载的分析属于动力分　析，在进行动力分析时，模型的边界条件会因为列　车运行产生的动力波的反射作用造成很大的　误差。　来定义模型的时程分析边界。Ｓ波与边界平面切　一　向Ｃ的大小相对应，Ｐ波与边界平面法向Ｃ的大　：：　：　一　’＿　●　一　／Ｊ、丰目只寸应。　茹　采用公式计算出在模型进行时程分析时所需　的吸收边界值Ｐ波（　和Ｓ波Ｃ　，如见表３，单位　为ＫＮ／ｍ。。添加边界约束后的模型见图５。　一　一　一　¨　一　在用Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ软件定义模型的吸收边界　表３模型边界计算值　．１　．Ｉ　（２）列车动荷载作用在左右两侧隧道所引起　的地表沉降的大小大约是列车动荷载作用在单侧　隧道造成地表沉降量的两倍，并且在地铁单侧运　行时（无论地铁是在左侧隧道运行还是在右侧隧　道运行）对地表的影响基本相同。　２．４．２基坑围护桩变形分析　。—　’＿＝一：：　‘　。’一　计算结果表明，地铁运行时产生的动荷载对　基坑围护桩的水平位移与基坑开挖卸载作用引起　图５时程分析的三维模型　２．４计算结果分析　２．４．１　列车动荷载对地表沉降的影响分析［８］　当地铁列车运行时，地铁产生的动荷载造成　地表土体　向位移如图６所示。　瘫左坑边题离（ｍ）　Ｏ　基坑围护桩的水平位移的规律不同，下图７为地　铁仅在右侧隧道运行、地铁仅在左侧运行、地铁在　左右隧道两侧同时运行等三种工况下的基坑围护　墙深层水平位移对比图。　．：？蚕　”　一．．仅右侧唾＿　．仅左饿曩＿　．１　羞　￡　－８；　●　‘　：　：－　．１ｏ　§　暑‘；ｊ．　　图６地表土体沉降对比图　由图６可知．三种工况分别为列车动荷载作　图７基坑围护桩水平位移对比图　用在右侧隧道、列车动荷载作用在左侧隧道以及　列车动荷载作用在左右两侧隧道（地铁隧道位于　该　坑的ｊＦ下方），从这三种情况作用下列车动荷　通过三种工况下基坑围护桩体的水平位移对　比分析可以看出：当仅考虑列车动荷载作用时．在　三种工况的作用下基坑围护桩体水平位移曲线的　变形（形态）基本一致［　。　２．４．３基坑围护桩内力分析　载对地表土体沉降影响可以看出：　（１）在列车动荷载作用下，地表沉降曲线较为　平滑并且在地铁左右两隧道同时有地铁运行对地　围护结构的内力是评价基坑安全的一个重要　表的影响最大，这时的地表最大沉降达到　７．２ｒａｍ：　指标，计算结果表明，地铁运行时产生的列车动荷　载引起的基坑围护桩弯矩数值如下图８所示。　第４期　，　杨伦，等：列车动荷栽作用下基坑变形规律研究　５３　（２）在三种工况作用下，地表沉降曲线形式基　一　。　本一致，均是距离基坑边缘近处地表沉降较大，而　远离基坑边的地表沉降受列车动荷载影响较小，　并且在距离基坑左侧边界７０￣８０ｍ处，地表沉降　变形趋于稳定；　（３）列车动荷载对基坑围护桩的水平位移几　茫　震氍　乎没有影响，对围护桩的水平变形起主导作用的　筵　墨～隧　挺　～，～～　　～穗按艟　至藿善一　还是基坑开挖卸载的影响。故只要在基坑开挖完　足　成后围护桩的水平位移在允许范围内，那么仅在　列车动载的作用下基坑不会发生失稳。　（４）当两侧隧道均有地铁运行时，动荷载对基　Ｋ，●－●●’●　涎　‘●　＾…＾’¨　一　器　．－．—。　ｉ　。。　二，　坑围护桩水平位移变形的影响最大，并且最大水　平位移仅为０．１２ｒａｍ。　…　（５）在列车动荷载作用下，基坑围护桩体在四　个角处绕ｘ轴的弯矩较大，绕Ｙ轴的弯矩在围护　桩左右两个面较大。　～　～一一　＝：ｌ　ｆｃｌ刈　曲城ｎ：Ｊｌ】　ｚ・　删胜ｉ酋时ｌ　护批的：　矩Ｉ　图８列车动载作用下基坑围护桩弯矩图　参考文献　１　Ｋｒｙｌｏｖ　ＶＶ．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｓｕｐｅｒ—　Ｅ图８为地铁仅在右侧隧道运行、地铁在左　侧隧道运行以及地铁在左右两侧同运行时等三种　工况下的基坑围护桩弯矩图。列车动荷载对基坑　围护桩弯矩的影响详细数据见下表４。　表ｄ不同工况下围护桩最大、最小弯矩　ｆａｓｔ　ｔｒａｉｎｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ　１９９５。４４（２）：１４９　１６４．　２刘维宁，夏禾，郭文军．地铁列车振动的环境响应［Ｊ］．　岩石力学与工程学报，１５（Ｓ），５８６～５９３，１９９６．　３　Ｃａｓｔｒｅｎｚｅ　Ｐ．Ｖａｒｉａｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｅａｄｙ　ｓｔａｔｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆｅｌａｓｔｉｃ——ｐｌａｓｔｉｃ　ｓｏｌｉｄｓ　ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｃｙｃｌｉｃ　ｌｏａｄｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄｓ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　４Ｏ（２００３）２６７３—２６９７．　４刘素锦，郭明伟，李兆源．浅析车辆荷载对深基坑支护　结构的影响［ｊ］．地下空间与工程学报，２００９，５（１）：１０５　—１０７．　５卿伟．车一隧藕合条件下地铁陡道的动力晌应分析及　对周边环境影响的评估研究［Ｄ］．重庆：重庆交通大　３结论　本文以南京地铁２号线城西干道综合改造项　目为背景，使用Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ建立三维模型，在列　车动荷载的作用下对基坑模型进行了动力分析，　预测当地铁运行时，列车动荷载对地表土体、基坑　围护结构以及对既有地铁隧道的影响，通过分析　所得结论如下：　（１）列车动荷载对地表沉降以及对基坑围护　结构的受力与变形影响较小。　学，２０１１．　６李军世，李克训．高速铁路路基动力反应的有限元分　析口］．铁道报，１９９５，１７（１）：６６—７５．　７梁波，蔡英．不平顺条件下高速铁路路基的动力分析　［Ｊ］．铁道学报，１９９９，２１（２）：８４—８８．　８毕湘利，周顺华．列车振动荷载对邻近深基坑的既有　站变形影响［Ｊ］．同济大学学报（自然科学版），２００４，３２　（１２）：１—６．　９刘建达，苏晓梅．地铁运行引起的地面振动分析［Ｊ］．自　然灾害学报，２００７，１６（５）：１４８—１５４．