非均勻受力圓形深基坑地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用

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非均勻受力圓形深基坑地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用

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(四川大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都610065)

【摘要】基坑工程是綜合性、變化性較強(qiáng)的巖土工程，主要涉及眾多復(fù)雜的土力學(xué)問題。由于當(dāng)前大量的深大基坑工程面臨著地質(zhì)條件差、施工條件復(fù)雜等問題，為確?；影踩┕?，必須對基坑的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。四川達(dá)州燃?xì)怆娬静捎昧说箳旎炷翀A形地下連續(xù)墻支護(hù)形式對岸邊取水泵房圓形深基坑進(jìn)行支護(hù)，效果良好，本文對此加以介紹。

【關(guān)鍵詞】基坑工程；地下連續(xù)墻；支護(hù)；應(yīng)用

1概述

隨著城市建設(shè)和大型市政、水利、道橋工程的不斷發(fā)展，各類不同用途的地下空間已在各個(gè)工程項(xiàng)目中廣為利用，例如：高層建筑群的地下室、水電站調(diào)壓井、發(fā)電廠地下取水泵房和地下油罐等，由此涌現(xiàn)出了大量的基坑工程。隨著施工技術(shù)的進(jìn)步和部分工程的特殊需求，基坑工程逐漸向超大超深的趨勢發(fā)展。由于這些超大超深基坑工程的出現(xiàn)，工程界對基坑工程的要求也隨之越來越高,因而促使研究人員和工程技術(shù)人員以新的眼光來審視這一熱門課題，通過不斷的探索和深入的研究來推動(dòng)基坑工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論方法的成熟[1]。

基坑工程是綜合性、變化性較強(qiáng)的巖土工程，涉及穩(wěn)定、強(qiáng)度、土與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用、滲流和變形等眾多復(fù)雜的土力學(xué)問題。基坑的安全開挖離不開有效的支護(hù)措施，常見的基坑支護(hù)型式主要有排樁支護(hù)、地下連續(xù)墻支護(hù)、水泥土擋墻等。由于當(dāng)前大量的深大基坑工程面臨著地質(zhì)條件差、施工條件復(fù)雜等問題，為確?；拥陌踩┕?，必須對基坑的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性進(jìn)行計(jì)算分析[2-4]。

2工程概況

四川達(dá)州燃?xì)怆娬竟こ滩捎?×350MW等級燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組。工程廠址位于達(dá)縣城南約12km處的斌郎鄉(xiāng)橋壩村，補(bǔ)給水水源為州河。電廠取水口位于州河上游的羅江口電站與下游的金盤子航電工程之間。工程取水構(gòu)筑物包括蘑菇形取水頭部、虹吸式引水管、岸邊取水泵房。岸邊取水泵房為現(xiàn)澆圓筒狀鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。頂部高程296.70m，內(nèi)底高程261.00m，泵房內(nèi)徑20m，最大外徑約23m。岸邊取水泵房基坑開挖采用圓形地下連續(xù)墻支護(hù)形式。取水泵房為2級水工建筑物，地下連續(xù)墻工程為4級臨時(shí)建筑物。

岸邊取水泵房位于州河左岸陡峭地段之二級階地上，地貌單元屬州河基座階地，階面狹窄，上覆的黏性土中可見卵石。水面到陡岸坡頂高約66.60m，岸坡坡度在45°～90°之間變化，總體坡度約70°左右，高程分布在268.00～334.60m之間。巖體的巖層產(chǎn)狀為95°∠6°，近于水平，與坡面呈反傾向結(jié)構(gòu)，屬穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。裂隙多呈閉合狀，裂隙縫間不見充填物，巖體結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度好。巖體不會發(fā)生整體性崩塌,也不會產(chǎn)生巖體組合塊體滑移，會產(chǎn)生的破壞形式主要表現(xiàn)為對巖體進(jìn)行人工切割時(shí)，臨空面上的巖體在施工中零星掉塊，但該地段自然岸坡整體穩(wěn)定。該工程取水構(gòu)筑物場地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g,地震基本烈度值為Ⅵ度。各個(gè)建筑場地巖土以基巖為主，場地類別為Ⅰ類，均屬于抗震有利地段。

岸邊取水泵房基坑開挖采用人工開挖倒懸澆筑方案，泵房豎井與墻體同步開挖。地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)半徑為12.20m，墻厚1m。立面上，墻頂最大高程為296.40m，墻底部高程為257.30m，墻高39.10m。墻體澆筑采用超大直徑整體懸掛模板配合混凝土直溜系統(tǒng)從上到下分層施工，分為13層，第1層至第12層澆筑高度均為3m，第13層澆筑高度為3.10m(見圖1~圖3)。

圖1　基坑結(jié)構(gòu)平面圖(含剖面位置)

圖2　結(jié)構(gòu)剖面圖(1-1)

圖3　結(jié)構(gòu)剖面圖(2-2)

3地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1　荷載組合及計(jì)算工況

3.1.1荷載組合及荷載計(jì)算

a.荷載組合。根據(jù)岸邊取水泵房工程地質(zhì)資料，水泵房地段邊坡穩(wěn)定，水泵房所嵌入的砂、泥巖為良好的天然地基持力層，且?guī)r層自穩(wěn)能力較好。由于水泵房處在階梯狀的沖溝中心，沖溝四周邊坡坡度差異較大，由此作用在水泵房基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向巖土壓力不均勻(見圖4)，為便于計(jì)算，將分布在地下連續(xù)墻四周的側(cè)向圍巖壓力考慮為軸對稱分布，側(cè)向圍巖壓力的大小隨墻后邊坡坡度大小而異，此次地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算，考慮墻體沿環(huán)向的側(cè)向圍巖壓力時(shí)應(yīng)隨墻后不同的邊坡坡度而不同，其中，墻后邊坡最大計(jì)算坡度為40°，最小計(jì)算坡度為0°(如圖5)。地下水類型分為基巖裂隙水和上層滯水，因在井臺周圍布置有排水溝，上層滯水對該工程施工影響不大。但取水泵房緊臨州河，且工期緊，需要全年施工，故施工期按1%設(shè)計(jì)洪水位(即282.19m)考慮施工防洪要求。

圖4　圓形地下連續(xù)墻墻后實(shí)際荷載分布圖

圖5　圓形地下連續(xù)墻墻后計(jì)算荷載分布圖

地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的荷載組合應(yīng)同時(shí)考慮巖石側(cè)向壓力和地下水壓力以及墻頂?shù)氖┕ず奢d(見表1)。

表1　地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合

b.荷載計(jì)算。

支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向巖石壓力可按下式計(jì)算：

q=γhKaKq

其中

以上式中q——側(cè)向巖石壓力,kN/m2；

γ—巖石重度,kN/m3；

h——開挖深度，m；

Ka——側(cè)向巖石壓力系數(shù)；

α——支護(hù)結(jié)構(gòu)與水平面的夾角；

β——支護(hù)結(jié)構(gòu)上部邊坡與水平面夾角；

φs——巖石等效內(nèi)摩擦角；

δ——巖石與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面摩擦角；

Kq——墻頂均布荷載對墻后巖石側(cè)向壓力效應(yīng)系數(shù)；

qs——井臺平面施工荷載。

取水泵房基坑因工期緊需要全年施工，故施工期地下水位按1%設(shè)計(jì)洪水位(即282.19m)考慮，墻后的地下水壓力按靜水壓力計(jì)算：

式中p——墻后地下水壓力,kN/m2；

γ水——水的重度,kN/m3；

h——設(shè)計(jì)洪水位到開挖面的高差，m。

3.1.2計(jì)算工況

地下連續(xù)墻采用基坑支護(hù)措施，按不同開挖深度，分工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，各方案地下連續(xù)墻工況劃分如下：基坑開挖深度為39.10m，共13個(gè)開挖支護(hù)步驟，其開挖支護(hù)分層見圖6，地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析選取7個(gè)典型工況，分別對應(yīng)開挖支護(hù)至290.40m、284.40m、278.40m、272.40m、266.40m、260.40m和257.30m高程。采用C25混凝土。

圖6　基坑開挖支護(hù)分層圖

3.2　單位寬度墻體沿豎向結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用豎向彈性地基梁的K法計(jì)算地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，墻體計(jì)算厚度為1m。在常規(guī)力學(xué)計(jì)算中，為簡化計(jì)算，墻后側(cè)向圍巖壓力考慮為墻后邊坡在最大坡度和最小坡度情況下的軸對稱作用，其荷載計(jì)算成果見表2。

地下連續(xù)墻沿豎向的結(jié)構(gòu)計(jì)算按開挖深度分為不同工況進(jìn)行，大井開挖深度同樣為39.10m，分為7個(gè)

表2　人工開挖倒懸澆筑方案地下連續(xù)墻沿豎向荷載

工況，分別對應(yīng)開挖至290.40m、284.40m、278.40m、272.40m、266.40m、260.40m和257.30m高程。根據(jù)墻體所受不同的荷載組合，按豎向彈性地基梁K法計(jì)算，計(jì)算成果見表3。

表3　人工開挖倒懸澆筑方案地下連續(xù)墻各工況沿

由表3可知，單位寬度地下連續(xù)墻墻體沿豎向內(nèi)力和變形量隨著開挖深度的加深而逐漸加大，但在各開挖工況下內(nèi)力和變形量比較??；在豎向彎矩的作用下，地下連續(xù)墻墻體受力表現(xiàn)為外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓，墻體的位移方向均由四周指向中心，其中墻體最大彎矩和最大位移均出現(xiàn)在墻后邊坡坡度為40°側(cè)的工況，即在此坡度側(cè)開挖至257.30m時(shí)，墻體最大彎矩和位移分別為327.80kN·m和8.7mm?？傮w來看，墻體的內(nèi)力及變形均較小。

3.3　單位高度墻體沿環(huán)向結(jié)構(gòu)計(jì)算

人工開挖倒懸澆筑方案單位高度墻體沿環(huán)向結(jié)構(gòu)計(jì)算采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法，其中荷載計(jì)算方法同前所述，即墻體沿環(huán)向的側(cè)向壓力為非均勻軸對稱作用。計(jì)算成果見表4。

表4　人工開挖倒懸澆筑方案地下連續(xù)墻沿環(huán)向荷載

根據(jù)荷載計(jì)算成果，代入單位高度圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算公式，得到單位高度地下連續(xù)墻在荷載作用下沿環(huán)向的內(nèi)力計(jì)算成果，見表5。

表5　人工開挖倒懸澆筑方案地下連續(xù)墻各工況沿

由表5可知，在各典型計(jì)算工況下，由于沿圓形地下連續(xù)墻四周軸對稱不均勻的側(cè)向巖石壓力作用，對應(yīng)各工況開挖面處單位高度圓形墻體環(huán)向內(nèi)力都較豎向內(nèi)力大，且隨著開挖深度的加深而逐漸加大；墻體沿環(huán)向的受力表現(xiàn)為受彎壓作用，內(nèi)力最大計(jì)算值出現(xiàn)在墻后邊坡坡度為0°側(cè)的工況，即在該坡度側(cè)開挖至257.30m時(shí)，彎矩和軸力最大值分別為-1252.42kN·m和-3433.84kN?？傮w來看，墻體的內(nèi)力較小，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地控制了基坑圍巖側(cè)向變形，保證了基坑的開挖穩(wěn)定性。

4結(jié)論

由于工程基坑位于沖溝中心,三面環(huán)繞較高的邊坡,一面緊鄰州河岸邊臨空面, 基坑四周的地形較復(fù)雜?；拥拈_挖,將破壞原來巖體的天然穩(wěn)定性,導(dǎo)致圍巖向開挖面變形,加之基坑開挖面后地形條件的差異,使基坑圍巖變形較均勻地形地質(zhì)條件下的開挖更為復(fù)雜?；娱_挖后,采用圓形倒掛混凝土地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù),為確?；邮┕て诘姆€(wěn)定，計(jì)算分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)施工期的內(nèi)力及變形。最后結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算成果，分析圓形地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工期間的內(nèi)力及變形。

通過對支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖過程中的應(yīng)力和變形進(jìn)行計(jì)算分析，可知基坑在開挖施工過程中圍巖穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)較大的變形和應(yīng)力，也未出現(xiàn)明顯的塑性破壞區(qū)，圓形地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)在整個(gè)開挖過程中同樣未出現(xiàn)較大的變形和應(yīng)力，說明施工期間倒掛混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)對限制圍巖位移及塑性區(qū)的發(fā)展起到了主要控制作用，施工期間若不采取整體倒掛混凝土支護(hù)，無法保證施工期間基坑圍巖的穩(wěn)定性和施工安全性。

參考文獻(xiàn)

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Application of non-uniform stress circular deep foundation pit underground

diaphragm wall supporting structure

ZHANG Taili

(SichuanUniversityEngineeringDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Chengdu610065,China)

Abstract:Foundation pit engineering belongs to geotechnical engineering with stronger integrity and variability. It is mainly related to many complicated soil mechanics issues. Since many deep and large foundation pit projects suffer from the problems of poor geological conditions, complicated construction conditions, etc. currently. Foundation pit stability and supporting structure must be calculated and analyzed in order to ensure the safe construction of foundation pit. Inverted concrete circular underground diaphragm wall supporting form is adopted to support the circular deep foundation pit at the shoreside pumping house of Sichuan Dazhou Gas Filed Power Station. The effect is good. And the paper introduces them in detail.

Key words:foundation pit engineering; underground diaphragm wall; support; application

中圖分類號：TU476+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1673-8241(2016)01-0054-06

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.016