海上人工岛内深基坑变形与稳定分析_丁勇春

15.4 15.7 16.8 18.6 18.3 20.5 20.5
c 8.1 11.6 10.9 17.2 16.8 8.5 5.0

14.3 14.8 14.4 20.4 22.4 35.5 35.8
Es0.1-0.2 /MPa 1.74 1.78 2.07 4.59 5.20 14.30 16.50
ref E50
ref Eoed
ref Eur
/(kN·m-3) /kPa /(°)
/MPa 3.5 3.6 4.1 9.2 10.4 28.6 33.0
/MPa /MPa 2.1 2.1 2.5 5.5 6.2 17.2 19.8 17.4 17.8 20.7 45.9 52.0 143.0 165.0
Deformation and stability of deep excavations in artificial offshore island
DING Yong-chun1, LI Guang-hui1, WANG Jian-hua2
(1. CCCC Third Harbor Consultants Co., Ltd., Shanghai 200032, China; 2. Department of Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)
Abstract: A two-dimensional finite element method (FEM) numerical simulation was carried out to investigate the deformation behavior and the global stability of the large-diameter steel cylinder bulkhead as well as the steel tube pile retaining structure in combination with the practice of a waterfront tunnel pit excavation in an artificial offshore island. Two numerical models were established respectively with Plaxis to compare the performance of the local excavation scheme and the large excavation scheme under complex construction conditions. The numerical results show that the local excavation scheme can reduce the relative lateral deformation of the steel cylinder bulkhead from 1.41 percent to 0.69 percent, raise the safety factor of global stability from 1.51 to 1.68, and transform the collapse mode of the structures from the type of steel cylinder overturning rotation around its bottom to the type of block slide around the steel tube pile top in the island. Nevertheless, the local excavation scheme may prolong the construction period and increase the project investment owing to the additional construction of temporary retaining structure. Both of the excavation schemes can satisfy the safety control requirements of stability; meanwhile, relatively large deformation of the excavation will not bring negative impact on the surroundings. The large excavation scheme is more favorable in construction period and project investment control than the local excavation scheme. Key words: artificial island; waterfront excavation; steel cylinder; numerical simulation; deformation; stability
2
2.1
数值模拟
计算条件及参数
图 1 人工岛平面布置 Fig. 1 Layout of artificial island
西岛采用施工期具备止水、围护功能的插入式大 直径钢圆筒岸壁结构，外侧辅以抛石斜坡堤，堤基处 理采用局部清淤换填碎石及挤密砂桩方案。岛体采用 全清淤回填中粗砂形成陆域，地基处理采用插打塑料 排水板及井点降水联合堆载方案，陆域形成后再进行 隧道结构施工。西小岛暗埋段隧道施工可采用两种基 坑开挖方案：方案一为坑中坑方案，隧道周边设置独 立的基坑支护结构；方案二为大开挖方案，施工期钢 圆筒兼作基坑围护结构 （围堰） ， 该方案无需单独设置 基坑支护结构。设计要求施工期岸壁结构最大侧向变 形不大于其高度的 1.5%， 并要求施工期岸壁整体稳定 安全系数不低于 1.3。
增刊
丁勇春，等. 海上人工岛内深基坑变形与稳定分析
第 34 卷 2012 年
.
增刊 11 月
岩
土
工
程
学
报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.34 Supp. Nov. 2012
海上人工岛内深基坑变形与稳定分析
丁勇春 ，李光辉 ，王建华
1 1 2
(1. 中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2. 上海交通大学土木工程系，上海 200240)
520
岩
土
工
程
学
报
2012 年
程[7]。我国的人工岛建设还处于起步和摸索阶段，仍 需借鉴和学习国外成功的建设经验。 海上人工岛内进行基坑开挖用于建设海底隧道等 地下结构是土木工程领域出现的一个新的工程挑战， 由于涉及人工岛陆域的填筑与再开挖、外海潮流、波 浪等因素的作用，使得常规陆上基坑的设计与施工方 法很难应用于海上基坑[8-11]。 本文结合某海上人工岛内隧道基坑工程，采用有 限元数值模拟研究不同基坑开挖方案对人工岛岸壁结 构及基坑支护结构变形与稳定的影响，旨在为相关工 程的实施提供参考。
潮流、波浪、泥沙、地质等自然条件的影响极大[4]， 施工期及使用期护岸结构的整体与局部稳定、地下水 渗流、变形控制及环境保护等因素成为影响海上人工 岛建设成败的关键，国外海上人工岛建设案例包括日 本关西国际机场、迪拜棕榈岛等[5-6]，澳门国际机场则 是我国在特殊历史背景下建设的第一个海上人工岛工
─────── 收稿日期：2012–08–25
由于西小岛施工条件复杂， 涉及岛外抛石斜坡堤、 钢圆筒及岛内陆域与基坑 3 个不同区域的先后施工及 其相互影响，整个结构体系呈现复杂的受力与变形性 态，因此采用能反映土体与结构动态受力与变形及其 相互协同作用的平面应变有限元程序 Plaxis 进行数值 计算。钢圆筒直径 22 m，壁厚 16 mm，内设纵横向加 劲肋加强整体刚度。筒顶标高 3.5 m，底标高-37.0 m， 筒高 40.5 m，海侧抛石斜坡堤护面块体及挡浪墙顶标 高 6.5 m。选取西小岛基坑最深处 A-A 北侧断面作为 计算控制断面，基坑底面最低标高为-12.5 m，如图 2 所示，坐标原点位于海侧筒壁标高 0 m 处。计算模型 网格如图 3 所示，左侧截断边距清淤边界 50 m，并约 束水平位移，右侧边为对称边界，底边双向位移全约 束。 土体本构模型采用 Hardening-Soil 模型(简称 HS 模型)，该模型可同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采 用 Mohr-Coulomb 破坏准则。 HS 模型共有 11 个参数(强
1.2
水文及地质条件
1
1.1
工程概况
工程简介
本工程位于珠江口伶仃洋海域，属外海无掩护水 域。西岛区设计潮位如下：重现期 100 a 设计高潮位 3.47 m，重现期 20 a 设计高潮位 2.97 m，重现期 20 a 设计低潮位-1.35 m，平均潮位 0.54 m。 西岛区泥面以下勘探深度范围内地基主要由第四 纪覆盖层、残积层和全—微风化混合花岗岩组成，软 土层最大厚度达 30 m，具有高含水率、低强度、高压 缩性等特点。原泥面标高约-8 m，土层自上而下主要 分布如下：①1 淤泥、①2 淤泥、①3 淤泥质黏土、③3 粉质黏土、③2 粉质黏土夹砂、④3 中细砂及④5 中粗 砂，各土层主要物理力学性质指标如表 1 所示，强度 指标按直剪固结快剪取用，部分为数值模拟土体本构 模型刚度参数。
0
引
言
随着我国沿海地区经济的高速发展，土地及岸线 资源日益紧张，一些重大基础设施建设项目已经无地 可用，适合建设的优良岸线也所剩不多。为积极探寻 合适的岸线及土地资源，近年来填海造地呈现加快的 趋势，同时为避免沿岸围垦所造成的生态影响，海岛 资源的开发以及人工岛的建设越来越受到重视[1-3]。 但 由于海上人工岛多处于远离大陆的开敞海域，工程受
表 1 土层物理力学指标 Table 1 Physical and mechanical parameters of soil strata 层号 ①1 ①2 ①3 ③3 ③2 ④3 ④5
某跨海大桥工程采用桥隧组合方案，由大桥、海 底隧道及两座海上人工岛组成[12]。根据工程总平面布 置，人工岛分东、西两岛，两岛间采用海底隧道连接， 其中西人工岛东侧与隧道连接，西侧与引桥连接，岛 体平面呈椭圆形（图 1） 。西人工岛长度约 625 m，横 向最大宽度约 183 m，岛区天然水深 8～10 m，岛内 回填交工标高为 5wenku.baidu.com0 m（85 黄海高程，下同） 。岛内隧 道分暗埋段（西小岛）与引道段（西大岛） ，暗埋段隧 道采用明挖法施工，隧道纵向坡度为 3%，暗埋段隧 道基坑底面最低标高为-12.5 m。
摘
要：采用数值方法研究了某跨海大桥海上人工岛内隧道基坑的变形性状与整体稳定性。基于有限元程序 Plaxis 建
立考虑复杂施工条件下土与结构相互作用的平面应变计算模型，分析坑中坑方案和大开挖方案两种不同基坑开挖方法 对大直径钢圆筒岸壁结构及基坑围护桩变形、整体稳定性及失稳破坏模式的影响。研究表明：相对大开挖方案，最不 利状态下坑中坑方案使钢圆筒相对侧向变形由 1.41%降至 0.69%，结构整体稳定安全系数由 1.51 增至 1.68，结构失稳 破坏模式由钢圆筒绕其下部倾覆转动转变为岛内土体绕围护桩滑移，但坑中坑方案由于增加了临时围护结构的施工， 对工期和投资的影响较大。由于两种开挖方案均能满足基坑的安全度控制要求，同时又不涉及基坑变形对周边环境的 影响，大开挖方案对工期及投资控制更有利。 关键词：人工岛；水上基坑；大直径钢圆筒；数值模拟；变形；稳定 中图分类号：TU473.5；U655.54 工作。E-mail: ycding@163.com。 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2012)S0–0519–06 作者简介：丁勇春(1979– )，男，江苏大丰人，博士，高级工程师，主要从事基坑工程及港口岩土工程的设计与研究