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第 15 届国际科学会议“地下城市化是可持续发展的先决条件”

圣彼得堡国立马林斯基剧院第二现场施工期间基坑结构及周围建筑物变形的分阶段评价

安德烈·贝尼娜^a、亚历山大·孔可夫^a、弗拉基米尔·卡夫卡兹基^a、阿纳托利·诺维科夫^a、尼古拉·瓦廷^c

a: 圣彼得堡国立交通大学，俄罗斯圣彼得堡

c: 圣彼得堡国立理工大学（最初名为“彼得大帝皇家工学院”，苏联时期改为“加里宁工程学院”），圣彼得堡理工大学街29号，195251，俄罗斯

摘要

本研究旨在分析和评估圣彼得堡国立马林斯基剧院(SAMT-2)二期建筑在土方开挖和下部结构施工的不同阶段的基坑支护和承重结构的变形程度以及周围建筑物的屈服情况。

copy;2016作者。爱思唯尔有限公司出版。2016地下第十五届国际科学会议科学委员会负责进行同行评审。爱思唯尔有限公司出版。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http:creativecommons.org按nc-nd 4.0许可）。

第十五届国际科学会议科学委员会负责的同行评议“地下城市化是可持续发展的先决条件”

关键词：有限元模型、三维建模、变形状态、监控。

1. 引言

国家学术马林斯基剧场 (SAMT-2) 二期大楼的建设已成为圣彼得堡建筑领域[1、2、3]的一个独特事件。首次在城市的历史中心建造了大面积的地下12m深的三层仓库。紧凑的土壤面积和密集的周围地区、紧邻 Kryukov 运河和主要剧院建筑、艰难的岩土和水文地质条件，所有的这些因素加剧了这一过程（支护和承重结构的变形以及周围建筑物的屈服过程）。这种建设的前提保证是采用特殊的工程设计方法、新的结构和材料、管理技术和方法，进行这一建设也使大批建筑公司及其雇员得以同时工作。

本文章研究旨在分析和评估圣彼得堡国立马林斯基剧院 (SAMT-2) 二期建筑在土方开挖和下部结构施工的不同阶段的基坑支护结构和承重结构的变形情况以及周围建筑物的屈服情况。

2. 理论或实验方法

本文的研究方法采用三维有限元建模和数值模拟技术，并将模拟结果与岩土工程实际监测数据进行了比较分析。

3. 实验部分

基坑及周边建筑物的技术特点

基坑的结构组成包括：

1. 由阿塞洛米塔尔钢铁集团生产的型号为 AU Arcelor 18 的钢板制成的板堆外壳。板堆被安放到距地表深度21m下的位置。

2. 由咬合桩建造的泥浆挡土墙，该挡土墙是用喷射注浆技术制造的，并由相距 1.0m 的 40 根金属工字钢加固。水泥浆挡土墙和钢板桩通过 2.3m 宽、1.15m 高的钢筋混凝土网格在顶部连接。

3.采用喷射灌浆技术在 11.500m 至 14.000m 的深度上施工成型的水平水泥土层。预计板坯厚度达到 2.5m。

4. 直径 600 mm 的临时钻孔桩，用 6 x 6m 的网眼嵌入基坑内。桩身高度为 29m，直径为 800 mm 至 1200 mm 的钻孔灌注桩，作为永久承载结构，关联在基坑底部水平的即将施工完成的板栅上。

5. 在挖掘基坑时，在 4.410m 至 11.100m 的深度上（在基坑顶部）同时安装用于支护的钢筋混凝土板。在 4.410m 深的地方，设置一块厚达 400 mm 的板材靠在临时桩上。在 11.100m 深的地方，设置一块厚为 1200 mm 的板，并用喷射灌浆板作为它的基础。在基坑开挖的最后阶段，底板和永久性的桩（4中永久承载桩）合并成一个板栅。为了保证基坑围护在8.110m 的这一深度上的水平刚度，覆盖了这里的横梁和横截面。

图 1 和图 2 显示了 SAMT-2 基坑开挖和支护的某些阶段。

注释：图 1.SAMT-2 基坑开挖阶段

图 2.在4.410m深处浇注板式混凝土结构阶段

周围的建筑以 4 至 7 层的公寓建筑为代表，这些公寓建筑建于 xx 世纪初（除了戴卡布莱斯唐尼街上的一套公寓）。设计图表明，建筑结构受到纵向和横向承重墙结构的应力。科尤科夫运河堤坝的结构已采用[4]提供的数据。

建筑工地的岩土条件是以初步的土壤研究成果为基础的。但在水泥土搅拌桩施工、钻孔灌注桩混凝土浇筑过程中，基坑内土体结构发生了明显的变形（主要是为了加强土体的力学性能）。这就是为什么基坑开挖深度达到 4.810m 时，采用静力触探方法进行附加土研究的原因。附加研究 [5] 得到的改良土物理力学性质见表1。

Table 1改良土壤特性

编号	项目	E,Mpa	C,kPa	phi;,deg	nu;
1	回填	2	1.0	16	0.29
2	沙	12	1.5	24	0.29
3	亚粘土	4	6.0	14	0.35
4	亚粘土	4	7.0	7	0.35
5	砂壤土	8	9.0	11	0.29
6	亚粘土	10	12.0	13	0.35
7	亚粘土	12	18.0	15	0.35
8	粘土	18	60.0	22	0.42
9	粘土	40	110.0	26	0.42

基坑开挖的预计阶段

根据第 [6] 条，基坑开挖和支护过程按下列程序进行：

1. 基坑分段在 4.810m 深的地方进行挖土活动时，伴随（同时）进行浇筑 400 mm 厚的钢筋混凝土板，位置靠在临时钻孔灌注桩上。

2. 在深度为 8.410m 的地方进行挖土活动时，伴随（同时）进行浇筑混凝土盖梁和横墙截面（即横向加劲肋）。

3. 在 12.650m 深的地方进行挖土活动时，伴随（同时）进行浇筑下部混凝土承重墙，而该下部承重墙的位置是靠在永久桩及临时桩上的，以及在已埋设永久桩及临时桩的地方喷射灌浆板。

三维 (3D) 建模问题声明

在此基础上，对基坑开挖及支护过程进行了建模。

1. 在构建 3D 模型时，已涵盖以下工作范围：

bull; 施工了水平水泥土层；

bull; 已建成完整的基坑围护结构（金属板桩、工字梁加固的泥墙、整体式网架）；

bull; 建造了 x 个内部板桩围护结构（内部板桩岛屿）。

2. 在上述结构设计之前和设计过程中发生的土体、基坑围护结构和周围建筑物的所有变形均视为已结束（即历史）。因此，关于周围建筑物和围护结构变形的产量的数学模拟结果完全取决于所采用的开挖和支撑结构设计技术。

3. 对以下每个基坑开挖阶段进行计算：

第1阶段：挖土活动，深度为 4.810m（底板水平）。深达 4.410m 的板状结构由于长期按生产工艺生产，不能作为基坑开挖初期的伸缩式结构，因而被排除在该阶段安全系数的计算之外。

第 2 阶段，在 4.410 m 深度处布置盖板，并在 8.410 m 深度处进行挖土活动。在计算该阶段的安全系数时，将盖梁和交叉承重墙部件排除在外。

第 3.1 阶段。在计算该阶段的刚度系数时，将进行到 12.650m 深度的土方开挖活动（包括部分喷射注浆板切割）从基坑底部以下的永久性桩加固土中排除。

第 3.2 阶段。考虑到从 Minsky Lane,Dekabristov Street 和 Soyuza Pechatnikov Street 侧 3.0 m 宽的断面上，以及从 Kryukov Canal 侧 有载荷1.0 t每平米的断面上，相当于 2.0 t每平米的额外载荷，该阶段与第 3.1 阶段相似。考虑上述载荷的必要性是由储存大量体积（即基础设计所需的破碎石）和在结构混凝土浇铸期间在立柱上操作的重型机械决定的。

根据得到的数值和历史数据 7、8、9，计算位于 Minsky Lane、Dekabristov 街和 Soyuza Pechatnikov 街的建筑物墙体的基础水平荷载。

三维建模旨在定义和分析：

-围护结构和基坑支护结构的水平位移和垂直位移；

-土体、相邻建筑物地基、Kryukov 运河堤防结构的水平和竖向位移；

-根据基坑开挖和支护活动的预计阶段，进行周围建筑物变形的预测和变形进一步发展的预测；

-目前有关基坑围护结构及周围建筑物地基监测的数值模拟结果与实际监测数据的比较 hellip; [中国核科技信息与经济研究院]。

三维有限元模型的主成分

利用土工格栅土工格栅整体求解系统 MIDAS CIVIL ver 7.4.0.对基坑围护结构及与多层土体有关的内部结构的变形状态进行了计算。

建模基于以下核心原则：

土体设计借助于八节点三维棱柱有限元。土层被设计为具有平均厚度的水平岩土单元层。

周边建筑物地基和临时钻孔灌注桩采用梁式有限元。利用喷射灌浆技术制作的内、外金属板桩围护结构和 2.0m 厚的水平水泥土板为平板单元。在三维棱柱单元的帮助下，由放置在土壤中的工字形梁墙体、钢筋混凝土网格和路堤的挡土墙加固了 1.5 m 厚。Kryukov 运河堤防的挡土墙材料被认为是均匀的，具有平均弹性响应。

总体而言，该方案由 14 种工作材料组成，包括 9 种不同土层的材料（表 1）、B25 级临时桩混凝土、钢板桩围护结构用钢、土基墙体材料（提供了工字钢加固墙体的性能）、水泥土板材料和路堤挡土墙材料。

采用非线性标度对三维模型的变形状态进行了计算。基于 Drucker-Prager 塑性模型的弹塑性土壤行为。采用 Newton-Raphson 方法求解非线性方程组。迭代过程需要 4-5 次迭代才能达到 1.0，这是之前规定的精度。

由于研究的目的是确定由基坑开挖和支护活动引起的产量，土体被认为是失重的。在估算一个基坑荷载 [5] 时，仅考虑建筑物的恒载和在其高度内（达到基坑开挖深度的 1.33 倍）基坑壁上的主动土压力。

进行了非开挖土体的三维计算。它是为了检验问题设置原始猜想的有效性而执行的，并考虑了由于周围建筑物自重而施加的负荷。研究结果表明，土体的正剪应力和正剪应力均未超过土体抗压和抗变形能力的估计值。由于周围建筑物自重而施加的荷载不会导致土体的显著塑性变形和不连续土的孔径。因此，上述建模原则可视为基础。

使用单独的有限元设计模型计算三个检查的施工阶段。

基坑施工不同阶段挡土墙及周围建筑物基础位移计算结果：

通过计算，获得了围护结构、内部基坑结构以及周围建筑物地基和路堤挡土墙的竖向和水平位移数据。

将特别关注阶段 3.1 和 3.2 的计算结果分析，因为它们似乎具有最不利的工作因素组合。

阶段 3.1 的模拟数据分析（图 3，a）见以下结果：

-周围建筑物的最大屈服超过 12 mm，注册在明斯基巷的建筑物内；

-最接近基坑路堤的最大屈服值为 19 mm；

-网格的最大屈服记录在其纵向部分（达到 8.3 mm）和水平部分（达到 23.7 mm）。

考虑到基坑（3.2 级）向上的额外载荷后，收到以下结果（图 3，b）：

-周围建筑物的最大产量增加了 2 倍，现已超过 21 mm，并注册在明斯基巷的建筑物内；

-最接近基

资料编号：[3775]