某深基坑內(nèi)支撐支護(hù)體系動(dòng)態(tài)施工過(guò)程支護(hù)樁的變形研究

田沛恒, 高玉華

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230009)

某深基坑內(nèi)支撐支護(hù)體系動(dòng)態(tài)施工過(guò)程支護(hù)樁的變形研究

田沛恒1, 高玉華2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230009)

以某醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院深基坑工程為背景，利用MIDAS/GTS NX有限元軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬。依據(jù)該工程的設(shè)計(jì)方案和施工方案，模擬深基坑施工中開(kāi)挖、加撐、拆撐全過(guò)程支護(hù)樁的位移變化情況，分析支護(hù)樁水平位移的變化規(guī)律及主要影響因素，從而對(duì)設(shè)計(jì)及施工提供建議。

內(nèi)支撐；深基坑；有限元；變形

0 引 言

隨著內(nèi)支撐技術(shù)大量的由平面形式轉(zhuǎn)化成空間立體形狀，原有的平面內(nèi)支撐支護(hù)設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)不能真實(shí)反映內(nèi)支撐支護(hù)體系與土體間的相互作用關(guān)系[1-3]。實(shí)際中研究深大基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)整體受力性能，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形情況、內(nèi)支撐的尺寸和位置是否合理、內(nèi)力是否滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求等方面有較深入的認(rèn)識(shí)，因此對(duì)大型深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析很有必要[4-5]。同時(shí)基坑深且大的特性使得內(nèi)支撐的使用量較大，為節(jié)約投資，對(duì)內(nèi)支撐的內(nèi)力與變形真實(shí)掌握，可以防止過(guò)于保守的設(shè)計(jì)。本文通過(guò)分析深基坑動(dòng)態(tài)施工中開(kāi)挖、加撐、拆撐全過(guò)程的位移變化情況[6]，研究位移形成原因及主要影響因素，分析位移變形規(guī)律，并對(duì)設(shè)計(jì)及施工提供建議。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

該醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院深基坑工程為2棟25層腫瘤綜合樓及2層地下室，基坑工程安全等級(jí)為一級(jí)，支護(hù)有效深度為10.25～12.35 m，基坑面積約1.08萬(wàn)m2；基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，北側(cè)緊鄰市政道路，東北側(cè)、西側(cè)及南側(cè)各存在10層教學(xué)實(shí)驗(yàn)樓、20層門(mén)急診內(nèi)科樓及4層辦公樓。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地地形整體較平坦，天然地基土狀態(tài)一般，強(qiáng)度較低。場(chǎng)地地下水豐富，基坑工程施工需進(jìn)行降止水處理?；悠矫鎴D及周邊環(huán)境情況如圖1所示。各土層的物理性質(zhì)與力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所列。

圖1 基坑平面圖及周邊環(huán)境情況

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

土層天然重度γ/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角φ/(°)粘聚力c/kPa壓縮模量/MPa①層素填土19．010．04．05．00②層粉土19．317．98．86．98③層粉質(zhì)黏土19．742．412．18．59④層粉土19．329．715．28．92⑤層粉質(zhì)黏土19．851．113．38．85⑥層粉質(zhì)黏土19．948．512．68．61

1.2 基坑支護(hù)方案

本工程基坑采用排樁與鋼筋混凝土內(nèi)支撐相結(jié)合的支護(hù)方案，局部加設(shè)鋼格構(gòu)斜撐，排樁支護(hù)樁間設(shè)置旋噴樁止水帷幕。支護(hù)樁樁徑1 100 mm，長(zhǎng)度為20.25～24.35 m，采用鉆孔灌注樁施工工藝。支護(hù)樁沿基坑周邊布置，間距為1 500 mm和2 000 mm兩種規(guī)格。支護(hù)樁之間為2～3根直徑600 mm旋噴樁止水帷幕，間距350 mm，樁長(zhǎng)21.00 m，進(jìn)入⑤層土約4 m。冠梁、圈梁均采用C35混凝土，冠梁截面為1 000 mm×1 100 mm(高×寬)，圈梁截面為1 000 mm×1 000 mm(高×寬)。內(nèi)支撐采用C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，截面為1 000 mm×800 mm(高×寬)，共設(shè)兩道，兩道內(nèi)支撐布置位置一致，上下對(duì)應(yīng)?；幽蟼?cè)近辦公樓處設(shè)置5個(gè)鋼格構(gòu)斜撐，鋼格構(gòu)斜撐采用4L140×12。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

2 有限元模型

2.1 模型尺寸

基坑開(kāi)挖影響范圍取決于開(kāi)挖基坑平面形狀、開(kāi)挖深度和土質(zhì)條件等因素。模型中，水平邊界與基坑邊的距離取3倍基坑最終開(kāi)挖深度，垂直地面方向，模型下邊界至坑底距離取為2倍開(kāi)挖深度?？紤]基坑周邊建筑及道路情況，最終建立模型尺寸264 m×182 m×35 m，有限元模型如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)工程有限元模型

2.2 材料定義

根據(jù)勘察報(bào)告數(shù)據(jù)分別定義每層土體，土體的本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫模型。支撐、支護(hù)樁采用混凝土梁?jiǎn)卧?，立柱、鋼格?gòu)斜撐采用型鋼梁?jiǎn)卧?/p>

2.3 荷載定義

結(jié)構(gòu)自重按實(shí)際重量考慮，鋼筋混凝土重度為26 kN/m3，鋼材重度為78 kN/m3；深基坑施工過(guò)程中，考慮施工荷載、坑邊堆載、基坑周邊道路車(chē)流量等，這些荷載根據(jù)大量工程實(shí)例的經(jīng)驗(yàn)，臨時(shí)性荷載可定為20 kN/m2；基坑?xùn)|北側(cè)10層建筑(筏板基礎(chǔ))在地面以下7.50 m處荷載取60 kN/m2。引起支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的原因除了土壓力和水壓力等荷載外，還有溫度變化、混凝土收縮與徐變等非荷載因素[7-8]。根據(jù)文獻(xiàn)[9]規(guī)定，“內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮下列作用：當(dāng)溫度改變引起的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力不可忽略不計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮溫度應(yīng)力”；根據(jù)文獻(xiàn)[10]，普通混凝土線(xiàn)膨脹系數(shù)αT=1.0E-5/℃；結(jié)合蚌埠地區(qū)氣象記錄，對(duì)支撐施加溫差為10 ℃的溫度荷載。

2.4 邊界條件

利用模型自帶的地面支承設(shè)置，模型側(cè)面限制水平向位移，底面全約束；立柱節(jié)點(diǎn)設(shè)置繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)約束，立柱樁底端節(jié)點(diǎn)設(shè)置固端約束。

2.5 開(kāi)挖工況

工況1：開(kāi)挖至第一道支撐底；

工況2：施工第一道支撐，開(kāi)挖至第二道支撐底；

工況3：施工第二道支撐，開(kāi)挖至基礎(chǔ)底；

工況4：施工基礎(chǔ)底板，拆除第二道支撐；

工況5：施工負(fù)一層底板、鋼格構(gòu)斜撐；

工況6：拆除第一道支撐、鋼格構(gòu)斜撐。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 支護(hù)樁頂水平位移分析

基坑施工至工況3時(shí)支護(hù)樁變形如圖4所示?；覣-B、D-E、F-A區(qū)段支護(hù)樁頂水平位移如圖5～圖7所示。

圖4 支護(hù)樁變形圖

(1) 圖5至圖7在工況2及工況3下支撐節(jié)點(diǎn)位置均出現(xiàn)遠(yuǎn)離基坑方向的位移，且增幅較大，增幅最大可達(dá)2.79 mm。這是由于在施工荷載中加入了溫度荷載，溫度升高使得內(nèi)支撐發(fā)生較大的伸長(zhǎng)，引起支護(hù)樁在支撐節(jié)點(diǎn)位置的位移變化。由此可知，在內(nèi)支撐長(zhǎng)度很大的情況下溫度升高所造成的體積變化不可忽略。

(2) 隨著開(kāi)挖過(guò)程的完成，工況3至工況5的位移圖形基本保持一致，即在拆除第一道支撐前的施工工況對(duì)樁頂位移影響較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖5 A-B段支護(hù)樁頂水平位移圖

圖6 D-E段支護(hù)樁頂水平位移圖

圖7 F-A段支護(hù)樁頂水平位移圖

(3) 從圖5至圖7可以看出，基坑施工在工況6時(shí)支護(hù)樁頂均產(chǎn)生較大位移增長(zhǎng)，最大增幅可達(dá)到6.76 mm。該工況下支撐及斜撐的拆除使得支護(hù)樁上部約束消除，支護(hù)樁呈懸臂形式，基坑外側(cè)土壓力引起支護(hù)樁頂向基坑內(nèi)側(cè)偏移。

3.2 深層水平位移分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)P、M、N點(diǎn)支護(hù)樁深層水平位移，如圖8～圖10所示。

圖8 P點(diǎn)支護(hù)樁深層水平位移圖

圖9 M點(diǎn)支護(hù)樁深層水平位移圖

圖10 N點(diǎn)支護(hù)樁深層水平位移圖

(1) 工況1至工況6的樁身水平位移均在不斷增大，在支護(hù)樁底最大可達(dá)20.50 mm。位移圖形呈“踢腳型”，圖形整體不同于支護(hù)樁端嵌入巖層等堅(jiān)硬土層的圖形。這是由于支護(hù)樁底土質(zhì)較差，基坑開(kāi)挖引起坑底土體應(yīng)力釋放，坑外土體向坑內(nèi)流動(dòng)，使得樁底位移不斷增大。

(2) 圖8至圖10在支撐及基礎(chǔ)底板處位移增長(zhǎng)較少，除工況6外位移增長(zhǎng)較穩(wěn)定。該處由于支撐及基礎(chǔ)底板剛度較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)共同受力，形成較為穩(wěn)定的整體，因此支撐范圍內(nèi)支護(hù)樁位移變化穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1) 內(nèi)支撐支護(hù)體系在跨度較大的基坑中應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮溫度應(yīng)力以及因此產(chǎn)生的支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。支護(hù)樁頂水平位移隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的完成而趨于穩(wěn)定。在拆撐完成后樁頂位移會(huì)有一定幅度的增加，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

(2) 在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)樁的整體位移隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而增大。支護(hù)樁底所在土層的強(qiáng)度直接影響基坑底板以下支護(hù)樁的位移趨勢(shì)，支護(hù)樁下部的過(guò)大位移也可能引起支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，在設(shè)計(jì)中要注意支護(hù)樁端土層的選擇，必要時(shí)可采取加固措施。

(3) 內(nèi)支撐支護(hù)體系在支撐范圍內(nèi)能較好地控制土體的變形，并在施工過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性，可以用于周邊環(huán)境復(fù)雜、基坑周?chē)馏w變形控制要求較高的深大基坑工程。

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[10] GB 50009-2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]．

2016-07-25

田沛恒(1991-)，男，山西運(yùn)城人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生； 高玉華(1963-)，男，安徽太和人，合肥工業(yè)大學(xué)教授．

TU463

A

1673-5781(2016)04-0505-04