2014年--外文翻譯譯文--基于數(shù)值模擬的地鐵車站地下連續(xù)墻設(shè)計優(yōu)化

1、<p>　　中文4920字，3468單詞,18600英文字符</p><p>　　出處：Ho C E, Hu S. Design Optimization of Underground Subway Station Diaphragm Walls Using Numerical Modeling[C]//Geo-Congress 2014 Technical Papers@ sGeo-character

2、ization and Modeling for Sustainability. ASCE, 2014: 3122-3132.</p><p>　　基于數(shù)值模擬的地鐵車站地下連續(xù)墻設(shè)計優(yōu)化</p><p>　　何楚兒，理學(xué)博士， 美國土木工程師學(xué)會會員和胡雙 美國土木工程師學(xué)會 會員</p><p>　　合作者，奧雅納， 77 水街，紐約， NY10005 ， c

3、hu.ho @ arup.com</p><p>　　高級巖土工程師，奧雅納，77 水街，紐約，NY10005 ，Shuang.hu @ arup.com</p><p>　　摘要：蓋挖施工是一個土-結(jié)構(gòu)相互作用的問題，涉及分段安裝和拆卸支撐支架 的順序。擋土墻和支撐結(jié)構(gòu)的特性會影響作用于墻壁上的土壓力。對于擋土墻的 設(shè)計數(shù)值模擬是一種有用的方法，因為各種可能的結(jié)果可以通過改變元素的巖土

4、 及結(jié)構(gòu)性能來研究。正確理解擋土墻和支撐系統(tǒng)的相互作用，有利于實現(xiàn)最佳的 設(shè)計，既控制墻位移和滿足施工性要求。本文討論了選擇適當(dāng)?shù)耐寥篮徒Y(jié)構(gòu)模型， 包括非線性的因素土的應(yīng)力 - 應(yīng)變行為和時間依賴特性，以及影響地下水滲流 條件對擋土墻的行為。一個案例研究的例子是通過使用的軟件 Plaxis 來研究一個 地鐵站中地下連續(xù)墻和支撐結(jié)構(gòu)，驗證了建模之間復(fù)雜的相互作用過程。</p><p><b>　　引言&l

5、t;/b></p><p>　　一個城市范圍內(nèi)的地下建筑受到建設(shè)環(huán)境中已有建筑的影響， 對街道的定 向，以及現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)類型的決定將需要一個優(yōu)秀的設(shè)計方案。在地下建筑的 可持續(xù)發(fā)展中關(guān)鍵的考慮因素是城市環(huán)境，包括盡量減少地面開挖，減少棄土處 置，利用永久性結(jié)構(gòu)優(yōu)化材料消耗 ，創(chuàng)新建造活動的順序以應(yīng)對潛在的工作限 制和延遲，以及減少中斷對現(xiàn)有 在街道上的交通流的影響。本文提出了一種蓋 挖施工地鐵車站的案例研

6、究，并討論如何通過數(shù)值模擬來實現(xiàn)地下連續(xù)墻的設(shè)計 優(yōu)化。</p><p><b>　　工程概況</b></p><p>　　作為紐約市曼哈頓上東側(cè)第二大道地鐵的拓展，一個新的地下捷運設(shè)施正 在建設(shè)中（圖 1）。新工廠將沿著第二大道從第 92 街延伸到第 99 街，在那里它</p><p>　　會連接到北部建于 20 世紀(jì) 70 年代的現(xiàn)有隧道。

7、地面標(biāo)高在 NYCT 基準(zhǔn) EL 112</p><p>　　英尺（ 34.1 米）和 EL 116 英尺（ 35.3 米）之間變化，一般向下傾斜朝向北部。</p><p>　　正常高水位高程變化在第 92 街 EL 105 英尺（+32 米）至第 95 街 EL 102 英尺（ 31.1</p><p>　　米）近似線性的，在第 95 街北部基本保持不變。包括第

8、96 街車站和過渡的隧道 在內(nèi)的本節(jié)地鐵均用蓋挖法施工。車站框架邊緣必須在現(xiàn)有街道的路邊線以內(nèi)。 第 96 街車站長 550 米，寬 18 米，深 18 米 ，除了南部遇到高基巖的地方，施工 主要是通過填充有機(jī)物，粉質(zhì)砂巖和冰川沙泥，</p><p>　　圖 1第 96 街站和過渡隧道規(guī)劃圖 由于工作區(qū)域的限制，因此，在大多數(shù)人行道下面的車站限制之外，開挖墻無法 安裝臨時支撐。因此，在車站箱壁的外墻上約 75％

9、的使用永久性的地下連續(xù)墻， 這在施工期間將作為臨時地支撐壁。唯一的例外為第 92 街和第 93 街遇到淺層巖 石的地方，使用巖石鑿或巖石切割機(jī)可以防止在安裝隔膜墻時遇到更大的問題。 使用臨時的咬合樁墻的另一種方案是采用標(biāo)稱 600mm 深嵌巖以獲得防水密封。 此外，需要安裝臨時軌道地板來跨越地下連續(xù)墻頂部和樁墻，以便在地下開挖的 同時街道上交通不受阻斷。圖 2 展示出了典型第 96 街車站的橫截面，其中涉及 建設(shè)永久性地下連續(xù)墻。<

10、;/p><p>　　圖 2 第九十六街車站的典型截面</p><p>　　永久性地下連續(xù)墻的優(yōu)化設(shè)計</p><p>　　因為蓋挖施工涉及分段安裝和拆卸支撐支架的順序，它是土與結(jié)構(gòu)相互作用 問題，臨時支護(hù)系統(tǒng)上作用的土壓力的大小受到擋土墻擾度和支撐物剛度的影 響。一個優(yōu)化的支持系統(tǒng)將允許墻體偏移，從初始的靜止土壓力開始，盡可能減 少擋土墻背部的土壓力。這將允許支柱變小或

11、支撐間距變大，強(qiáng)體偏移的最大值 將取決去已有建筑和周圍場地移動設(shè)施的容忍度，在一般情況下，擋土墻彎矩的 大小由墻體的形狀和曲率決定，而剪力的大小由垂直支撐間距的大小決定。利用 數(shù)值模擬探討各種可能的結(jié)果是有用的，因為巖土和結(jié)構(gòu)特性很容易因各種情況 而改變。</p><p><b>　　分期建設(shè)</b></p><p>　　對于這個項目，在非常軟弱的巖體中，隔膜墻系統(tǒng)因

12、其在非常軟弱的巖體中 開挖深基坑時，墻體的偏移能得到很有效的控制而被選擇。垂直支柱間距將允許 變大，同時避免 施工期間擁堵。為了利用屋頂板（通常為 1.22 米厚）具有較大</p><p>　　軸向彎曲剛度這一優(yōu)勢，考慮到在地下連續(xù)墻之間緊張的工作空間（約 18 米可 見），以及考慮到為了進(jìn)出和材料運輸而在屋頂板上開的臨時開口的防水問題， 這是不可能采取自上而下的方法施工。因此一種自下而上的施工順序，被認(rèn)為是 更

13、可行的。</p><p>　　克拉夫和奧羅克（1990）表明在軟弱土中墻體變形的大小可以限制在開挖深 度（H）的 0.2%到 0.3%之間。對于一個典型的當(dāng)前開挖深度為 18.3 米的項目， 預(yù)計墻壁變形將是 37 到 55mm 之間。該挖掘設(shè)計利用鋼梁攜帶的臨時道路甲板來 作為頂支柱去支撐地下連續(xù)墻。在一般情況下，兩個級別鋼支柱將分別用于甲板 下面來控制墻向內(nèi)偏移，除了在入口 3，由于獨特的施工順序采用了三個支

14、柱。 當(dāng)?shù)怪冒逋瓿珊?，支柱依次移除和屋頂板將為地下連續(xù)墻提供永久的側(cè)向支撐。</p><p>　　由于土壤剖面變化和車站構(gòu)造形狀的變化，該區(qū)域被細(xì)分成幾個設(shè)計區(qū)。每 個區(qū)域，站箱的完整的橫截面建模利用計算機(jī)軟件 Plaxis 8.1 版本的二維有限 元在不同土壤剖面的現(xiàn)場模擬土壤條件（圖 3）。由于現(xiàn)有建筑物的而產(chǎn)生的恒 載和活載，以及臨時的施工活動和車輛交通都將被考慮。</p><p>

15、<b>　　土壤模型</b></p><p>　　最初的施工前的靜止土壓力（(Ko）是基于一個確定的時間點和來自滲透 性試驗（SPT），標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗（CPT），自鉆式旁壓儀試驗（SBP）和室內(nèi)固結(jié) 試驗的實驗數(shù)據(jù)確定的。</p><p>　　莫爾 - 庫侖土壓力模型適用于粉砂層，假設(shè)完全排水條件適用于所有開挖 階段。有機(jī)物層也被認(rèn)為是莫爾 - 庫侖材料，但假設(shè)在開挖階

16、段為不排水剪切， 模擬在有機(jī)物中的固結(jié)效果，100％的超孔隙水壓力消耗在每個開挖階段后。土 壤摩擦角（φ’）和凝聚力（C）的測定是根據(jù)各向同性壓縮固結(jié)排水試驗（CIDC）。 所觀察到的有機(jī)物的高摩擦角（φ’= 250）與夾雜物的纖維材料和貝殼鑲嵌在有 機(jī)物有關(guān)。不排水剪切強(qiáng)度（Su）對有機(jī)物的初始有效覆壓的相關(guān)性（σ'vo），</p><p>　　即 Su = 0.325σ’vo，這是基于固結(jié)不排水壓縮

17、各向同性（CIUC）實驗室的測試結(jié) 果。這相當(dāng)于用 SHANSEP 模擬的土壤有機(jī)物超固結(jié)比（OCR）約 1.6（拉德，1991）。 初始加載的沙子的楊氏模量估計為 E =1436 N60 和 E = 2394 N60 ，分別基于 相關(guān)性提出的斯特勞德(1974).相應(yīng)的有機(jī)物楊氏模量來各向同性壓縮固結(jié)排水</p><p>　　試驗，與 E = 70.7σvo'。</p><p>

18、　　圖 3PLAXIS 開挖的數(shù)值模擬 由于較大厚度的年紋層泥沙淤積和在較大深度中遇到的土壤，硬化土壤模型</p><p>　　基于雙曲型應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)曲線 （Schanz et.al.1999 年） ，這條曲線被用于模擬 非線形土壤行為和對土壤剛度緊箍應(yīng)力變化的影響(Σ '3） （公式 1）。參考壓 力等于分段裝配在地下連續(xù)墻中間嵌入的長度墻下面有效水平應(yīng)力。參考楊氏模</p><

19、p>　　量的主要荷載對應(yīng)于 50%的破壞應(yīng)力，約為 E ref</p><p>　　= 2633N60 基于相關(guān)性旁壓試</p><p><b>　　ref</b></p><p>　　驗和 SPT 數(shù)據(jù)。卸載重裝楊氏模量是假定的 3 倍 E50</p><p><b>　　取為 0.5。</b&

20、gt;</p><p>　　，土壤剛度的相關(guān)因素（m）</p><p>　　土的滲透系數(shù)(k)被假定為各向同性除了年紋層泥沙淤積外,通過滿標(biāo)抽水 試驗的反演計算已經(jīng)表明水平分量是數(shù)量級高于相應(yīng)的 垂直分量(kh/kv= 10)。 為了計算當(dāng)水的壓力已經(jīng)恢復(fù)到其施工前的狀態(tài)后，長期施工后的靜止土</p><p>　　靜壓，排水強(qiáng)度參數(shù)被用于所有類型的土壤（K0= 1

21、- SINφ '， Jaky ， 1948） 。 在所有的情況下，隔膜壁土界面摩擦角（ δ ）被假定為 0.5φ “ 。表 1 總結(jié) 了 PLAXIS 采用的土壤模型參數(shù)。</p><p>　　表 1 在 PLAXIS 中輸入的典型土壤參數(shù)</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)模型</b></p><p>　　地下連續(xù)墻和結(jié)構(gòu)樓板在 PLA

22、XIS 中被建模為彈性板單元，地下連續(xù)墻和樓板 結(jié)構(gòu)的抗彎剛度（EI）從基于為總截面允許的剛度損失或施工質(zhì)量不好的結(jié)構(gòu)確 定的值中減少了 30%。加筋混凝土的貢獻(xiàn)部分被忽略。臨時鋼支柱分別為模擬的 彈性桿與固定兩端。支柱的尺寸由最大的允許的平均壓縮應(yīng)力 103.4MPa 決定 ，</p><p>　　以避免支桿的彎曲破壞（NYCT DG452A）。臨時支柱的水平間距（s） 被假定為 6.1 米。支桿沿所述壁（EA

23、/ s）的軸向剛度是變化的，以保證了地下連續(xù)墻變形 均在目標(biāo)控制范圍 0.2 至 0.3％之間。</p><p>　　永久地下連續(xù)墻的設(shè)計很復(fù)雜，要求在夾層平臺創(chuàng)建細(xì)長開口，以容納自動 扶梯和樓梯。在這些地點，要求設(shè)置臨時支柱，以確保充分的軸向剛度期間的初 始階段保持施工直到屋頂被完成。為了模擬這種情況下，一個虛擬的支柱（軸向 剛度等于全夾層板與開口夾層平板的剛度差）被建模為一個額外的支撐夾板并隨 后移除。從結(jié)構(gòu)

24、分析，得到夾層板與開口夾層在軟件 STAAD 的等效模型。表 2 總結(jié)了在 PLAXIS 中的結(jié)構(gòu)元素的典型特性。</p><p>　　表 2在 PLAXIS 中的典型的結(jié)構(gòu)性質(zhì)</p><p><b>　　地下連續(xù)墻埋深</b></p><p>　　地下連續(xù)墻埋置長度是在使用 PLAXIS 作為一個檢查其在開挖基地地下水滲 流是是否足具有足

25、夠的穩(wěn)定性。為任何給定的墻趾的水平，挖掘基地下方的向上 滲透力在最后開挖水平達(dá)到最大。土層被允許排放到能保持水位在穩(wěn)態(tài)條件下的 地方。三種情況的腳趾嵌入和地下水滲流條件都進(jìn)行了建模。圖 4 總結(jié)了獲得的 結(jié)果。</p><p>　　案例 1 仿照墻 7.6 米嵌入。人們發(fā)現(xiàn)在最大收斂和墻趾多達(dá) 330 毫米時分析</p><p>　　是失敗的。最終計算出的水壓力在墻趾為 167.6 千帕，

26、較土壤（ 149.6 千帕）</p><p><b>　　的總覆層壓力高。</b></p><p>　　在案例 2 中，墻體埋深增加到 12.2 米，一個類似的滲流計算被執(zhí)行。分析 達(dá)到收斂但非常大的動態(tài)腳趾在達(dá)到 380mm 時消失了。相應(yīng)的安全系數(shù) 1.04， 所產(chǎn)生的水壓力為 230 kPa 在墻趾對覆蓋層的壓力為 239.4 kPa，說明邊際基本 穩(wěn)定的條件。

27、</p><p>　　案例 3 仿照類似的墻嵌入 12.2 米，但是有一個規(guī)定，在下面的開挖基地時</p><p>　　在土壤中靜水壓力超過 7.6 米，以控制向上滲漏壓力。這種方法確保積極有效覆 蓋層應(yīng)力在所有時間都保持低于開挖基地的土壓力。分析表明墻是穩(wěn)定的，最大 腳趾位移只有 25 毫米。在水壓力為 189.6 kpa 和相應(yīng)的上覆巖層壓力為 239.4 kpa 的條件下, 計算出的

28、安全系數(shù)為 1.26,這是 令人滿意。 因此墻需要的總長 度要求 30.5 米 及 12.2m 的埋深。</p><p>　　圖 4(a) 沿挖掘中心線的水壓力分布; (b)墻撓度</p><p>　　地下連續(xù)墻和支撐相互作用的行為</p><p>　　在初步設(shè)計階段，初步選擇了一個 1.22 米厚地下連續(xù)墻這是由于大的彎矩 應(yīng)滿足跨度的要求。然而，這將占據(jù)太多的車

29、站建筑空間。隨后 1.07 m 厚度的 墻最終被選擇，但墻段的設(shè)計不得不仔細(xì)為了優(yōu)化加筋混泥土而考慮。這意味著 的主動和被動的彎矩要時刻限制在約 2670KN/m 一下。相同的地下連續(xù)墻大小能</p><p>　　保持整個車站框施工的一致性和簡單性。</p><p>　　在排水，開挖，支撐 和預(yù)載的支柱進(jìn)行了分析。對于每一個向下開挖階段， 有機(jī)物中超孔隙水壓力全部消散是被允許的。最后階段包

30、括回填土到車站頂板以 上以及巷道的修復(fù)，同時長期的水質(zhì)條件完全恢復(fù)到其施工前的狀態(tài)。</p><p>　　圖 5 顯示了 PLAXIS 結(jié)果為建筑最關(guān)鍵的階段， 即在最后開挖路基和所有 施工都完成以后。可以看到，向下施工期間的最大墻體的最大偏移量約為 41 毫 米， 隨后向上施工拆除臨時支柱和永久結(jié)構(gòu)施工造成額外的墻體變形，最大最 大墻體偏移量無顯著變化，一旦 倒置板已經(jīng)澆筑完成。由于地下連續(xù)墻較大的 彎曲剛度，

31、它是可以支撐跨度為 6.4 米的支柱而不會產(chǎn)生顯著的偏移。在車站支</p><p>　　柱移除的施工過程中，地下連續(xù)墻在某些區(qū)域能支撐的最大跨度是 9.75 米。</p><p>　　圖 5 顯示出，最大的彎矩沒有發(fā)生在最終開挖的時間，但畢竟施工已經(jīng)完成。 屋面板及仰拱板在抵抗的地下連續(xù)墻偏移都發(fā)揮了重要作用，由于其轉(zhuǎn)動剛度相 對于地下連續(xù)墻大。最大彎矩出現(xiàn)需要兩個條件：（1）屋頂板以上的

32、土體及街道 上的荷載使屋頂板產(chǎn)生撓度（2）翻轉(zhuǎn)板以下的長期的地下水壓力使得屋頂板產(chǎn) 生向上的擾度。地下連續(xù)墻在最后的發(fā)掘和后期施工階段的最大剪切力差別不是 很大。在寫這篇文章的時候，車站的施工仍在進(jìn)行中。然而，安裝在地下連續(xù)墻 的測斜儀讀數(shù)顯示在最后開挖時，這實際的最大墻體變形在 38.6～39.4mm 之間。 在施工倒置板時，墻體的位移達(dá)到 3.8mm，蠕變可能由于混凝土固化期間剛度比 較低造成的。這些觀察表明通過數(shù)值預(yù)測的地下連續(xù)墻

33、的行為是合理的。</p><p>　　圖 5 東西地下連續(xù)墻的分析結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文展示了數(shù)值模擬在有機(jī)物和冰川淤泥地層中地鐵車站地下連續(xù)墻的優(yōu) 化設(shè)計。永久的地下連續(xù)墻在臨時施工階段也被用來作為支護(hù)。在確定墻體的埋 深和承壓條件時，對墻體的埋深利用數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)研究是有用的。由此表明 了

34、一個完整的數(shù)值分析，其中包括兩個連續(xù)的向下和向上的施工階段，有必要確 保最復(fù)雜的負(fù)載條件都考慮到。特別是，具有較大彎曲剛度地下連續(xù)墻，屋頂大 的軸向和彎曲剛度以及倒置板在限制墻體變形時都起到了重要的作用，從而使得 在臨時支撐支架之間能有大的跨度。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Clough, G. W. and O’Rourke,

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