二元結(jié)構(gòu)巖土基坑吊腳樁支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值之我見(jiàn)

劉汨軍

摘要：基坑支護(hù)是當(dāng)前建筑工程中常見(jiàn)的一種基礎(chǔ)工作施工技術(shù)，其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，直接關(guān)系基礎(chǔ)工程質(zhì)量。在山地地區(qū)，經(jīng)常會(huì)采用巖土二元結(jié)構(gòu)基坑，在應(yīng)用這種基坑時(shí)，會(huì)常涉及到吊腳樁的設(shè)計(jì)，需要通過(guò)施工特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，分別對(duì)該種設(shè)計(jì)方法的安全穩(wěn)定性、樁體深度、樁腳錨桿軸力及巖肩寬度等影響因素進(jìn)行研究和分析。本文就二元結(jié)構(gòu)巖土基坑吊腳樁支護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)值展開(kāi)討論，針對(duì)吊腳樁工程特點(diǎn)，分別對(duì)與設(shè)計(jì)計(jì)算相關(guān)的影響因素進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：二元結(jié)構(gòu)；巖土基坑；吊腳樁支護(hù)；設(shè)計(jì)數(shù)值

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，城市高層建筑和超高層建筑如雨后春筍般拔地而起，地下空間的利用成為必然，這也使得基坑工程的數(shù)量越來(lái)越多。一元結(jié)構(gòu)基坑，在支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算理論方面較為成熟，設(shè)計(jì)與施工安全快速，而且其穩(wěn)定性驗(yàn)算較為容易，但是巖土二元結(jié)構(gòu)基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)卻是一個(gè)難題，在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常不考慮下層基巖，而是使用傳統(tǒng)的方法來(lái)計(jì)算上層土體開(kāi)挖的支護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)于下層基巖多依靠自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)挖，這種方法的風(fēng)險(xiǎn)性較大。針對(duì)這種情況，本文就二元結(jié)構(gòu)巖土基坑吊腳樁支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究。

一、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論

（一）計(jì)算方法及模型

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算方法包括：靜力平衡法、土抗力法、連續(xù)介質(zhì)有限元法。

首先，靜力平衡法，即經(jīng)典法，就是通過(guò)土力學(xué)理論，來(lái)計(jì)算擋墻上的主動(dòng)與被動(dòng)土壓力，最后通過(guò)該方法來(lái)計(jì)算擋墻的受力并以此設(shè)計(jì)擋墻結(jié)構(gòu)。由于擋墻上的荷載是通過(guò)傳統(tǒng)土壓力理論來(lái)確定的，但是主被動(dòng)土壓力則是依據(jù)土體的極限狀態(tài)來(lái)推導(dǎo)出來(lái)的，對(duì)土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用及施工對(duì)土體的擾動(dòng)沒(méi)有得到充分考慮。早期，這種經(jīng)典方法在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，而當(dāng)前已經(jīng)被彈性地基梁法所取代，但是該種方法在計(jì)算空間開(kāi)挖問(wèn)題上還是相當(dāng)成熟的。

其次，土抗力法，經(jīng)典法假定了基坑內(nèi)側(cè)的土抗力為被動(dòng)土壓力狀態(tài)，對(duì)于有內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用經(jīng)典法計(jì)算，常假定支撐力與支撐剛度系數(shù)無(wú)關(guān)，在使用上有一定的限制，所以，該種方法逐漸被土抗力法所取代，在我國(guó)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中明確推薦彈性地基反力法進(jìn)行計(jì)算。彈性地基梁法計(jì)算的要點(diǎn)是，在擋墻位移過(guò)程中需要良好的控制條件，基坑內(nèi)側(cè)無(wú)法達(dá)到完全被動(dòng)狀態(tài)，所以，引用承受水平荷載樁的橫向抗力概念，將外側(cè)主動(dòng)土壓力作為水平荷載施加在墻體上，用彈性地基梁理論計(jì)算擋墻的變形與內(nèi)力。土體對(duì)墻體的水平向支撐用彈性抗力系數(shù)來(lái)模擬，支錨結(jié)構(gòu)也用彈簧模擬。

當(dāng)前，在土木工程計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的模型有兩類，即彈塑性模型和彈性非線性模型，兩種模型都反映了土體的非線性應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。傳統(tǒng)的彈塑性模型在計(jì)算分析中較快，但該種模型只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單初步的分析；而非線性彈性模型在各類巖土工程計(jì)算中相較于彈塑性模型較為成熟。彈塑性Hardening—Soil模型作為一種先進(jìn)的模型，其能夠?qū)Σ煌愋偷耐馏w行為進(jìn)行模擬，這種模型運(yùn)用的是非線性彈性模型所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗(yàn)的雙曲線模型，但是隨著彈塑性Hardening—Soil模型的完善和提高，已經(jīng)取代了雙曲型模型。原因包括：彈塑性Hardening—Soil模型是塑性理論，不是彈性理論，充分考慮了土體的剪脹性；同時(shí)引入了屈服帽蓋。對(duì)于下層巖土，均可視為均質(zhì)線彈性體，利用線性彈性模型進(jìn)行模擬。

（二）有限元數(shù)值分析

1.土體初始應(yīng)力的生成

土體初始應(yīng)力是土體開(kāi)挖前本身存在的應(yīng)力作用，這種應(yīng)力場(chǎng)是由于長(zhǎng)期地質(zhì)作用不斷變化形成的，包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。土體初始應(yīng)力會(huì)應(yīng)材料容重和土體形成歷程而受到一定影響，其應(yīng)力狀態(tài)一般用 表征。初始水平有效應(yīng)力 通過(guò)側(cè)向土壓力系統(tǒng)K0和初始豎向有效應(yīng)力確定，可以表示為：

通常情況下，在有限元設(shè)計(jì)計(jì)算軟件中的初始應(yīng)力可以通過(guò) 生成，也能夠應(yīng)用重力荷載來(lái)生成。在初始點(diǎn)上的初始應(yīng)力應(yīng)結(jié)合該位置的材料容重與 的值來(lái)計(jì)算并得出結(jié)果：

在上述公式中， 表示土體的容重，hi表示土層厚度；Pw表示應(yīng)力點(diǎn)上的初始孔隙水壓。

二、工程案例分析

某火車站興建站房工程，上部結(jié)構(gòu)為3層，地下結(jié)構(gòu)為1層，局部為2層，各片區(qū)的基礎(chǔ)埋深均存在一定的差異，基礎(chǔ)最低出建筑標(biāo)高為17.1m?；娱_(kāi)挖的面積較大，地下室面積約為24200㎡，周長(zhǎng)約2500m。根據(jù)工程實(shí)際情況，可以將基坑開(kāi)挖劃分為4平面區(qū)域，即I區(qū)、II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)。將I區(qū)作為本文數(shù)值分析的對(duì)象。

（一）支護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工程地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，該工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用灌注樁作為支護(hù)樁，灌注樁要嵌入基巖2m以上，各樁的距離保持在1.2m，入巖深度應(yīng)在0.5m以上，錨桿間距為2.5m，鉆孔直徑控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，下層巖層使用簡(jiǎn)單的土釘進(jìn)行支護(hù)，注意保證土釘質(zhì)量及操作過(guò)程中角度、傾角以及支撐巖肩的預(yù)留大小。

（二）有限元模型的建立

首先，對(duì)有限元模型的建立進(jìn)行假設(shè)：基坑開(kāi)挖采用平面應(yīng)變模型；圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐錨桿為彈性受力狀態(tài)，圍護(hù)樁體用無(wú)厚度彈性板模擬；施工開(kāi)挖過(guò)程中引起的土體應(yīng)力變化不予以考慮。

其次，施工階段的模擬，由于該工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)具備對(duì)稱性，所以選取其基坑平面設(shè)計(jì)的一部分來(lái)建立模型，將距離開(kāi)挖面100m作為水平向影響范圍，下層巖土，將距離基地以下15m作為影響范圍，模型豎直邊界采用水平向約束，水平底面邊界采用豎直向約束，施工開(kāi)挖分為4各步驟，第一步是放坡開(kāi)挖第一層土體并達(dá)到一定標(biāo)高為止，還需設(shè)置施工支護(hù)樁機(jī)第一道錨桿；第二步是延續(xù)第一步的進(jìn)程繼續(xù)開(kāi)挖第二道錨桿的標(biāo)高，并設(shè)施第二道錨桿；第三步施工是開(kāi)挖土體至下層基底巖面，設(shè)置第三道錨桿；第四步施工是爆破巖石，放坡開(kāi)挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高。有限元模型見(jiàn)圖一。

（三）結(jié)果分析

第一，樁身嵌入巖層深度計(jì)算。當(dāng)基坑開(kāi)挖至10m以上時(shí)，計(jì)算上層土體開(kāi)挖時(shí)樁身需嵌入巖層的深度。對(duì)樁身嵌入巖層的深度取3m左右進(jìn)行模擬分析，其他設(shè)計(jì)尺寸和參數(shù)保持不變。經(jīng)幾何模擬圖進(jìn)行分析后，結(jié)果表明，要想保證基坑的穩(wěn)定性，樁身嵌入巖層的最小深度應(yīng)控制在1.4m，但是隨著嵌固巖層的深度不斷增加，支護(hù)樁的變形得不到明顯的減小，彎矩變化也不夠明顯，這是因?yàn)闃扼w嵌入的是花崗巖巖層，嵌入固力較大，使得嵌入深度無(wú)法滿足樁體穩(wěn)定和位移的要求，進(jìn)而產(chǎn)生變形和彎矩變化不大的情況?？梢?jiàn)，對(duì)上層土體開(kāi)挖支護(hù)采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是可行的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將支護(hù)樁嵌入巖層深度控制在2m以上，就能夠滿足上層土體開(kāi)挖時(shí)對(duì)基坑穩(wěn)定性的要求。

第二，預(yù)留巖肩寬度的影響，經(jīng)幾何模擬圖分析表明，隨著巖肩寬度增加，樁體水平位移明顯減小，從無(wú)巖肩到巖肩寬度大于一定數(shù)值時(shí)，對(duì)位移的影響較小。巖肩寬度越大，樁體彎矩越大，位移變化規(guī)律一致，當(dāng)寬度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，其影響作用不明顯。彎矩增大是由于樁體整體位移減小。使得主動(dòng)土壓力增大，彎矩增大。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)將巖肩寬度作為重要影響因素加以考慮。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在本文論述和工程案例分析中，對(duì)二元結(jié)構(gòu)巖土基坑設(shè)計(jì)，其上層土體開(kāi)挖可以采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算樁身嵌入巖層深度，以此判斷上層土體開(kāi)挖時(shí)，基坑支護(hù)是否滿足其穩(wěn)定性的要求。預(yù)留巖肩寬度時(shí)，要有效控制支護(hù)結(jié)果的位移大小?？傊诒疚难芯恐?，采用彈塑性Hardening—Soil模型對(duì)二元結(jié)構(gòu)巖土基坑設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)較為接近，可作為解決這種特殊設(shè)計(jì)計(jì)算的計(jì)算依據(jù)。

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