基于位移控制的裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁深基坑應(yīng)用研究*

郭 亮 胡卸文 錢(qián)德良 巫錫勇

GUO Liang① HU Xiewen① QIAN Deliang② WU Xiyong①

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基于位移控制的裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁深基坑應(yīng)用研究*

郭 亮①胡卸文①錢(qián)德良②巫錫勇①

基于基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從預(yù)應(yīng)力控制、變形控制和剛度控制3個(gè)方面研究裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐體系(IPS)的工作機(jī)理及環(huán)境影響程度。結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)內(nèi)支撐，IPS作用時(shí)施加于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力在基坑開(kāi)挖前充分激發(fā)被動(dòng)土壓力，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑外變形從而大幅制約向內(nèi)位移，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體深層位移小于10mm； 同時(shí)，IPS以施加預(yù)應(yīng)力提高體系表觀剛度的方式限制基坑周邊變形，實(shí)測(cè)地表沉降量均未超過(guò)18mm，降低基坑開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的影響程度； 另外，針對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)支撐應(yīng)力集中缺陷，IPS通過(guò)支撐體系全跨度反作用力予以克服，顯示出IPS在深基坑工程中較為廣闊的應(yīng)用前景。

預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁 深基坑 環(huán)境影響 位移控制 剛度控制

GUO Liang①HU Xiewen①Q(mào)IAN Deliang②WU Xiyong①

0 引 言

深基坑施工引發(fā)的環(huán)境效應(yīng)一直為巖土工程專(zhuān)家學(xué)者們關(guān)注與研究的熱點(diǎn)課題。近年來(lái)，城市地下工程施工對(duì)周邊環(huán)境影響的控制標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，尤其對(duì)基坑位移控制的要求越來(lái)越高(Darcy， 1966； Kishnani et al.，1993; 趙錫宏等， 1999)。

裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)IPS)通過(guò)于基坑開(kāi)挖前施加預(yù)應(yīng)力，并以預(yù)應(yīng)力充分激發(fā)被動(dòng)土壓力，順利實(shí)現(xiàn)大幅限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、降低基坑工程環(huán)境影響的目標(biāo)。近年來(lái)在我國(guó)基坑工程中被推廣應(yīng)用并取得一系列顯著成效(潘平等， 2011； 劉發(fā)前等， 2013； 戴忠華， 2014; 李建清， 2014； 周善榮， 2014； 張會(huì)新， 2015)。本文從預(yù)應(yīng)力控制、變形控制和剛度控制3方面出發(fā)解析基坑施工全程裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐體系的工作機(jī)理，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體深層位移及地表沉降量，對(duì)比研究了裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支護(hù)體系與傳統(tǒng)支護(hù)體系對(duì)基坑開(kāi)挖的環(huán)境影響程度，研究結(jié)果以期為類(lèi)似工程施工提供相應(yīng)參考。

1 預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁體系結(jié)構(gòu)與機(jī)理

1.1 體系結(jié)構(gòu)

裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)IPS)，是應(yīng)用預(yù)應(yīng)力原理開(kāi)發(fā)出的一種深基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)(劉全林等， 2014; 周冠男， 2014)，通過(guò)對(duì)魚(yú)腹梁弦上的鋼絞線(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力，形成了大跨度的圍檁結(jié)構(gòu)，經(jīng)與角撐、對(duì)撐和三角形連接點(diǎn)組合，形成可回收的大空間平面預(yù)應(yīng)力支撐系統(tǒng)(圖1)。

圖1 裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)

1.2 工作機(jī)理

1.2.1 預(yù)應(yīng)力控制機(jī)理

傳統(tǒng)混凝土支撐控制基坑變形本質(zhì)上是通過(guò)增加內(nèi)支撐剛度來(lái)控制基坑變形，而IPS主要是對(duì)魚(yú)腹梁下弦鋼絞線(xiàn)施加較大預(yù)應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)，使魚(yú)腹梁整個(gè)跨度均勻地向坑外變形，作用方式與傳統(tǒng)內(nèi)支撐對(duì)比(圖2)。

圖2 傳統(tǒng)支撐與IPS作用方式對(duì)比

1.2.2 變形控制機(jī)理

基坑在安裝IPS鋼支撐之后，施加支撐預(yù)應(yīng)力F，圍護(hù)樁產(chǎn)生向基坑外的變形S1(圖3a)，同時(shí)激發(fā)被動(dòng)土壓力P0，隨土體開(kāi)挖，圍護(hù)樁向坑內(nèi)變形，其外側(cè)的被動(dòng)土壓力P0逐漸減小，主動(dòng)土壓力Ea逐漸增大，待基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，基坑位移為S2(圖3b)，則圍護(hù)樁的最終位移ΔS=S1-S2，即圍護(hù)樁IPS鋼支撐在圍護(hù)樁開(kāi)挖前施加預(yù)應(yīng)力使其發(fā)生向坑外位移，確?；游灰颇軌虻玫接行Э刂?。

圖3 不同施工階段基坑圍護(hù)樁變形圖

1.2.3 剛度控制機(jī)理

剛度(k)：彈性體抵抗變形的能力(劉鴻文， 2011)，即引起單位位移所需要的力。

Q345鋼結(jié)構(gòu)剛度：

(1)

C30砼結(jié)構(gòu)剛度：

(2)

則：

(3)

傳統(tǒng)鋼支撐一般依靠大剛度控制基坑變形，在同等條件下Q345鋼結(jié)構(gòu)剛度僅為C30砼結(jié)構(gòu)剛度的1/3，抵抗變形的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于砼支撐。但是，結(jié)合若干IPS工程實(shí)例可知，通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力的IPS鋼支撐抵抗變形的能力優(yōu)于砼支撐，受力形式如圖4 所示。由定義公式(劉鴻文， 2011)：

(4)

當(dāng)P一定時(shí)，δ越小，k越大，即kips>>k鋼，由此可知同樣壓力作用下，通過(guò)對(duì)鋼絞線(xiàn)施加預(yù)應(yīng)力，使IPS鋼支撐的變形小于砼支撐，從而提高IPS鋼支撐的表觀剛度。

圖4 IPS支撐與傳統(tǒng)支撐位移隨土壓力變化示意圖

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某深基坑工程位于江蘇省泰州市高新區(qū)會(huì)展路西側(cè)、曙光路北側(cè)地塊。本工程由主樓、裙樓及地庫(kù)組成，其中主樓高97.1m(23層)，裙樓高25.0m(6層)，采用框架結(jié)構(gòu)，主、裙樓均有2層地下室，采用樁基礎(chǔ)?；娱_(kāi)挖總面積為11700m2，開(kāi)挖深度為9.0～9.6m。

2.2 水文地質(zhì)條件

基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)主要由①表土、②粉砂夾粉土、③粉細(xì)砂及④粉砂組成，土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)(表1)。

表1 土層參數(shù)指標(biāo)

Table1 The parameters of soil

土層名稱(chēng)層厚H/m彈性模量E/MPa泊松比μ重度γ/kN·m-3滲透系數(shù)k/cm·s-1直剪固快指標(biāo)黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)①表土0.934.670.3518.03.0e-0310.05.0②粉砂夾粉土6.511.920.3118.96.9e-033.729.5③粉細(xì)砂18.19.220.2519.07.8e-033.032.0④粉砂4.912.010.2018.77.3e-034.032.0

工程場(chǎng)地地下水主要為潛水，通過(guò)大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)方式排泄，并隨大氣降水、季節(jié)變化和長(zhǎng)江水位的漲落有所升降，泰州城區(qū)歷史最高洪水位4.91m，最低水位1.20m，一般水位1.89m。

2.3 基坑周邊環(huán)境條件

基坑北側(cè)：距基坑邊線(xiàn)約20m處為已建公寓樓； 一層地下車(chē)庫(kù)距基坑外邊線(xiàn)最近距離約2.0m，深約5.5m的一層地下車(chē)庫(kù)緊鄰公寓樓。

基坑南側(cè)：緊鄰曙光路，地下市政管線(xiàn)已清除； 西南角有一西南方向小橋。

基坑西側(cè)：距基坑外邊線(xiàn)約0.5m處為南北方向河流，河寬約18.0m，深約5.0m。

基坑?xùn)|側(cè)：緊鄰會(huì)展之路，地下埋有雨水管，市政管線(xiàn)已清除； 東北角為不可轉(zhuǎn)移深井。

2.4 IPS支撐體系

如圖5 所示，采用壓灌樁與分離式水泥土攪拌樁咬合形式作豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼作止水帷幕； 水平支撐，東、西、北側(cè)三邊均采用兩道IPS鋼支撐和一道預(yù)應(yīng)力錨索，南側(cè)一邊采用三道預(yù)應(yīng)力錨索。

圖5 IPS支撐體系平面布置圖

3 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

3.1 工效分析

第一、二道支撐混凝土支撐和預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐有效工作時(shí)間(表2)。由表2知，混凝土支撐的有效工作時(shí)間為31d，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐的有效工作時(shí)間為46d，前者約為后者的67%，而整個(gè)基坑中混凝土支撐的工程量?jī)H為鋼支撐的30%，就施工工期而言，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐比同等條件下混凝土支撐節(jié)省Δ=1-46/(31/30%)=55.5%。同時(shí)，混凝土支撐拆除后需占用場(chǎng)地進(jìn)行破碎，時(shí)間和成本均較大，而魚(yú)腹梁拆除后直接分類(lèi)退場(chǎng)，且可重復(fù)利用，從時(shí)間和經(jīng)濟(jì)角度看，均有較好效益。

表2 各支撐有效作業(yè)時(shí)間

3.2 支撐軸力分析

預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐軸力采用安裝在支撐表面的應(yīng)變計(jì)或集中軸力計(jì)所形成的全自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)量測(cè)(圖6)，依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)警和支撐內(nèi)力調(diào)整，從而控制基坑位移。

圖6 魚(yú)腹梁鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖7 支撐軸力變化曲線(xiàn)圖

ZC1～ZC4各測(cè)點(diǎn)支撐軸力隨工況變化曲線(xiàn)如圖7 所示。由圖7 可知，預(yù)應(yīng)力的施加使支撐軸力逐漸增大，施加完畢后支撐軸力略有上升，逐漸平緩。ZC1支撐軸力由預(yù)應(yīng)力施加前的260kN增至施加后的1700kN，因土體開(kāi)挖緩慢增漲至1950kN，可知施加預(yù)應(yīng)力之后，土壓力僅增漲14.7%疊加于魚(yú)腹梁支撐，原因在于施加的預(yù)應(yīng)力值是按照土壓力作用后的計(jì)算值與影響區(qū)域乘積所施加，不會(huì)因施加預(yù)應(yīng)力而產(chǎn)生大幅增量。

3.3 地表豎向位移分析

地表豎向位移的監(jiān)測(cè)采用φ12mm的膨脹螺栓作為標(biāo)志(圖8)。豎向位移累計(jì)值=上次豎向位移累計(jì)值+本次豎向位移累計(jì)值=上次豎向位移累計(jì)值+(本次高程-上次高程)。

圖8 地表豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖9為周邊地表豎向位移(D1～D4測(cè)點(diǎn))隨基坑施工工況的變化曲線(xiàn)。

圖9 基坑周邊地表豎向位移曲線(xiàn)圖

由圖9知，D1～D4各點(diǎn)豎向位移在第一道支撐施工前變化較小，僅為1mm； 隨著基坑的開(kāi)挖，各點(diǎn)豎向位移變化速率逐漸增加，直至基坑底板澆筑； 待底板澆筑完成后，豎向變化速率明顯減小，沉降累計(jì)量基本保持不變，最大位移僅為17.6mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范所要求的5%H(H為基坑開(kāi)挖深度)。從圖可知，周邊地表沉降可分3個(gè)階段：(1)沉降速率不斷增加階段； (2)沉降速率遞減階段； (3)沉降趨于穩(wěn)定階段。

由此可見(jiàn)，魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)以施加預(yù)應(yīng)力從而提高體系表觀剛度的方式最大程度限制基坑周邊變形，實(shí)測(cè)地表沉降量均未超過(guò)18mm，有效降低基坑開(kāi)挖引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題。

圖10 圍護(hù)樁深層位移隨工況變化曲線(xiàn)

3.4 圍護(hù)樁深層位移分析

圍護(hù)樁深層位移采用的活動(dòng)式測(cè)斜儀進(jìn)行。將測(cè)斜儀的導(dǎo)向輪沿測(cè)斜管導(dǎo)向滑槽放入管中，直至管底。每隔一定距離L(500mm)向上拉線(xiàn)并讀出測(cè)斜儀所在位置測(cè)管的傾斜度為θi，則水平位移ΔS=∑L×sinθi。

圖10為基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)樁深層位移隨施工工況變化曲線(xiàn)圖。由圖知，基坑開(kāi)挖前且未施加預(yù)應(yīng)力，土體位移為0mm； 第一道支撐預(yù)應(yīng)力的施加，最大程度的激發(fā)了坑外被動(dòng)土壓力，圍護(hù)樁產(chǎn)生坑外負(fù)位移-7.0mm； 隨著基坑開(kāi)挖，樁頂負(fù)位移逐漸減小至-3.8mm，分析原因主要是由于土體開(kāi)挖過(guò)程中，被動(dòng)土壓力逐漸向主動(dòng)土壓力轉(zhuǎn)化，當(dāng)主動(dòng)土壓力大于被動(dòng)土壓力時(shí)，支撐將會(huì)被壓縮，從而產(chǎn)生向坑內(nèi)的正位移。第二道支撐預(yù)應(yīng)力的施加，在一定程度上使坑內(nèi)位移減小，樁頂負(fù)位移有所增加。基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，樁頂位移僅為0.5mm，坑內(nèi)最大位移為10.0mm，位于坑底附近。

相比于傳統(tǒng)內(nèi)支撐，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐體系作用下，被動(dòng)土壓力于開(kāi)挖前已被施加于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的預(yù)應(yīng)力充分激發(fā)，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)往坑外變形，開(kāi)挖后向內(nèi)位移得以大幅限制。

4 結(jié) 論

裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)通過(guò)于基坑開(kāi)挖前施加預(yù)應(yīng)力，并以預(yù)應(yīng)力充分激發(fā)被動(dòng)土壓力順利實(shí)現(xiàn)大幅限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、降低基坑工程環(huán)境影響的目標(biāo)。本文從預(yù)應(yīng)力控制、變形控制和剛度控制方面研究裝配式預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐體系的工作機(jī)理及環(huán)境影響程度，經(jīng)研究得出以下主要結(jié)論：

(1)預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁鋼支撐施工工期比同等條件下混凝土支撐工期節(jié)省約55.5%，且重復(fù)利用性強(qiáng)，具有良好經(jīng)濟(jì)效益。

(2)相比于傳統(tǒng)內(nèi)支撐，預(yù)應(yīng)力魚(yú)腹梁支撐體系作用時(shí)施加于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力在基坑開(kāi)挖前充分激發(fā)被動(dòng)土壓力，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑外變形從而大幅制約向內(nèi)位移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體深層位移被控制在10mm以?xún)?nèi)。

(3)小剛度組合的魚(yú)腹梁支撐系統(tǒng)以施加預(yù)應(yīng)力提高體系表觀剛度的方式限制基坑周邊變形，實(shí)測(cè)地表沉降量均未超過(guò)18mm，有效降低基坑開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的影響程度。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報(bào) 1004-9665/2016/24(5)- 1022- 06

INNOVATIVE PRE-STRESSED AND PREFABRICATED SUPPORT FOR RETAINING STRUCTURE OF DEEP FOUNDATON PIT WITH DISPLACEMENT CONTROL

Based on the measured data of the foundation pit， the work mechanism and environmental effect of innovative pre-stressed and prefabricated support(IPS)for retaining structures are studied in three aspects. They include pre-stress control， deformation control and stiffness control. Results show that： Compared with the traditional support， the passive soil pressure is fully motivated by the pre-stress that applied to the retaining structure using IPS before excavation. And the measured data shows that the overall deep displacement of the retaining structure is less than 10mm. At the same time， the IPS is applied to limit the deformation of foundation pit by applying pre-stress to improve the apparent stiffness. Measured surface subsidence is not more than 18mm which show it reduces the impact of excavation on the environment effectively. In addition， aimed at the stress concentration defect of traditional internal support， the IPS overcomes it through the support system full span reaction. The IPS indicates wide application in deep excavation engineering.

Innovative Pre-Stressed Support(IPS)， Deep foundation， Environmental effect， Deformation control， Stiffness control

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.033

2016-05-31;

2016-08-17.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41602290)資助.

郭亮(1982-)，男，博士，博士后，主要從事地下工程及邊坡防治方面的研究. Email: guoliang688@126.com

TU443

A