2014年--外文翻譯譯文--基于數(shù)值模擬的地鐵車(chē)站地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)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(chē)站地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)優(yōu)化</p><p>　　何楚兒，理學(xué)博士， 美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)會(huì)員和胡雙 美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì) 會(huì)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(jí)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(gè)土-結(jié)構(gòu)相互作用的問(wèn)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(huì)影響作用于墻壁上的土壓力。對(duì)于擋土墻的 設(shè)計(jì)數(shù)值模擬是一種有用的方法，因?yàn)楦鞣N可能的結(jié)果可以通過(guò)改變?cè)氐膸r土

4、 及結(jié)構(gòu)性能來(lái)研究。正確理解擋土墻和支撐系統(tǒng)的相互作用，有利于實(shí)現(xiàn)最佳的 設(shè)計(jì)，既控制墻位移和滿(mǎn)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(xiàn)性的因素土的應(yīng)力 - 應(yīng)變行為和時(shí)間依賴(lài)特性，以及影響地下水滲流 條件對(duì)擋土墻的行為。一個(gè)案例研究的例子是通過(guò)使用的軟件 Plaxis 來(lái)研究一個(gè) 地鐵站中地下連續(xù)墻和支撐結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了建模之間復(fù)雜的相互作用過(guò)程。</p><p><b>　　引言&l

5、t;/b></p><p>　　一個(gè)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(duì)街道的定 向，以及現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型的決定將需要一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)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(kāi)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(dòng)的順序以應(yīng)對(duì)潛在的工作限 制和延遲，以及減少中斷對(duì)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(chē)站的案例研

6、究，并討論如何通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì) 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(gè)新的地下捷運(yùn)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(huì)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(xiàn)性的，在第 95 街北部基本保持不變。包括第

8、96 街車(chē)站和過(guò)渡的隧道 在內(nèi)的本節(jié)地鐵均用蓋挖法施工。車(chē)站框架邊緣必須在現(xiàn)有街道的路邊線(xiàn)以?xún)?nèi)。 第 96 街車(chē)站長(zhǎng) 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(guò)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(guò)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(chē)站限制之外，開(kāi)挖墻無(wú)法 安裝臨時(shí)支撐。因此，在車(chē)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(shí)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(shí)遇到更大的問(wèn)題。 使用臨時(shí)的咬合樁墻的另一種方案是采用標(biāo)稱(chēng) 600mm 深嵌巖以獲得防水密封。 此外，需要安裝臨時(shí)軌道地板來(lái)跨越地下連續(xù)墻頂部和樁墻，以便在地下開(kāi)挖的 同時(shí)街道上交通不受阻斷。圖 2 展示出了典型第 96 街車(chē)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(chē)站的典型截面</p><p>　　永久性地下連續(xù)墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　因?yàn)樯w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(wèn)題，臨時(shí)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(gè)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(kāi)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?chē)鷪?chǎng)地移動(dòng)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?yàn)閹r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(duì)于這個(gè)項(xiàng)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(kāi)挖深基坑時(shí)，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(shí)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(shì)，考慮到在地下連續(xù)墻之間緊張的工作空間（約 18 米可 見(jiàn)），以及考慮到為了進(jìn)出和材料運(yùn)輸而在屋頂板上開(kāi)的臨時(shí)開(kāi)口的防水問(wèn)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(kāi)挖深 度（H）的 0.2%到 0.3%之間。對(duì)于一個(gè)典型的當(dāng)前開(kāi)挖深度為 18.3 米的項(xiàng)目， 預(yù)計(jì)墻壁變形將是 37 到 55mm 之間。該挖掘設(shè)計(jì)利用鋼梁攜帶的臨時(shí)道路甲板來(lái) 作為頂支柱去支撐地下連續(xù)墻。在一般情況下，兩個(gè)級(jí)別鋼支柱將分別用于甲板 下面來(lái)控制墻向內(nèi)偏移，除了在入口 3，由于獨(dú)特的施工順序采用了三個(gè)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(chē)站構(gòu)造形狀的變化，該區(qū)域被細(xì)分成幾個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)。每 個(gè)區(qū)域，站箱的完整的橫截面建模利用計(jì)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(chǎng)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(shí)的施工活動(dòng)和車(chē)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(gè)確定的時(shí)間點(diǎn)和來(lái)自滲透 性試驗(yàn)（SPT），標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（CPT），自鉆式旁壓儀試驗(yàn)（SBP）和室內(nèi)固結(jié) 試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的。</p><p>　　莫爾 - 庫(kù)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(kāi)挖 階段。有機(jī)物層也被認(rèn)為是莫爾 - 庫(kù)侖材料，但假設(shè)在開(kāi)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(gè)開(kāi)挖階段后。土 壤摩擦角（φ’）和凝聚力（C）的測(cè)定是根據(jù)各向同性壓縮固結(jié)排水試驗(yàn)（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(duì)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(shí)驗(yàn)室的測(cè)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(jì)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(lái)各向同性壓縮固結(jié)排水</p><p>　　試驗(yàn)，與 E = 70.7σvo'。</p><p>

18、　　圖 3PLAXIS 開(kāi)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(xiàn) （Schanz et.al.1999 年） ，這條曲線(xiàn)被用于模擬 非線(xiàn)形土壤行為和對(duì)土壤剛度緊箍應(yīng)力變化的影響(Σ '3） （公式 1）。參考?jí)?力等于分段裝配在地下連續(xù)墻中間嵌入的長(zhǎng)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(duì)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(yàn)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(guò)滿(mǎn)標(biāo)抽水 試驗(yàn)的反演計(jì)算已經(jīng)表明水平分量是數(shù)量級(jí)高于相應(yīng)的 垂直分量(kh/kv= 10)。 為了計(jì)算當(dāng)水的壓力已經(jīng)恢復(fù)到其施工前的狀態(tài)后，長(zhǎng)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(lèi)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(shí)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(shí)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(jì)很復(fù)雜，要求在夾層平臺(tái)創(chuàng)建細(xì)長(zhǎng)開(kāi)口，以容納自動(dòng) 扶梯和樓梯。在這些地點(diǎn)，要求設(shè)置臨時(shí)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(gè)虛擬的支柱（軸向 剛度等于全夾層板與開(kāi)口夾層平板的剛度差）被建模為一個(gè)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(kāi)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(zhǎng)度是在使用 PLAXIS 作為一個(gè)檢查其在開(kāi)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(kāi)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(shí)分析</p><p>　　是失敗的。最終計(jì)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(gè)類(lèi)似的滲流計(jì)算被執(zhí)行。分析 達(dá)到收斂但非常大的動(dòng)態(tài)腳趾在達(dá)到 380mm 時(shí)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(duì)覆蓋層的壓力為 239.4 kPa，說(shuō)明邊際基本 穩(wěn)定的條件。

27、</p><p>　　案例 3 仿照類(lèi)似的墻嵌入 12.2 米，但是有一個(gè)規(guī)定，在下面的開(kāi)挖基地時(shí)</p><p>　　在土壤中靜水壓力超過(guò) 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(shí)間都保持低于開(kāi)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(jì)算出的

28、安全系數(shù)為 1.26,這是 令人滿(mǎn)意。 因此墻需要的總長(zhǎng) 度要求 30.5 米 及 12.2m 的埋深。</p><p>　　圖 4(a) 沿挖掘中心線(xiàn)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(jì)階段，初步選擇了一個(gè) 1.22 米厚地下連續(xù)墻這是由于大的彎矩 應(yīng)滿(mǎn)足跨度的要求。然而，這將占據(jù)太多的車(chē)

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(jì)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(dòng)和被動(dòng)的彎矩要時(shí)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(gè)車(chē)站框施工的一致性和簡(jiǎn)單性。</p><p>　　在排水，開(kāi)挖，支撐 和預(yù)載的支柱進(jìn)行了分析。對(duì)于每一個(gè)向下開(kāi)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(chē)站頂板以 上以及巷道的修復(fù)，同時(shí)長(zhǎng)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(kāi)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(shí)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(wú)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(huì)產(chǎn)生顯著的偏移。在車(chē)站支</p><p>　　柱移除的施工過(guò)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(méi)有發(fā)生在最終開(kāi)挖的時(shí)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(dòng)剛度相 對(duì)于地下連續(xù)墻大。最大彎矩出現(xiàn)需要兩個(gè)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(zhǎng)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(xiě)這篇文章的時(shí)候，車(chē)站的施工仍在進(jìn)行中。然而，安裝在地下連續(xù)墻 的測(cè)斜儀讀數(shù)顯示在最后開(kāi)挖時(shí)，這實(shí)際的最大墻體變形在 38.6～39.4mm 之間。 在施工倒置板時(shí)，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(guò)數(shù)值預(yù)測(cè)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(chē)站地下連續(xù)墻的優(yōu) 化設(shè)計(jì)。永久的地下連續(xù)墻在臨時(shí)施工階段也被用來(lái)作為支護(hù)。在確定墻體的埋 深和承壓條件時(shí)，對(duì)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(gè)完整的數(shù)值分析，其中包括兩個(gè)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(shí)都起到了重要的作用，從而使得 在臨時(shí)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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