施工變形對逆作法結(jié)構(gòu)的影響分析

張志浩，魏煥衛(wèi)，*，孔軍，陳朝偉，卜颯

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南250014；2.山東建和土木工程咨詢有限公司，山東 濟南250101）

施工變形對逆作法結(jié)構(gòu)的影響分析

張志浩1，魏煥衛(wèi)1，*，孔軍1，陳朝偉2，卜颯1

（1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟南250014；2.山東建和土木工程咨詢有限公司，山東 濟南250101）

地下工程逆作法施工期間，施工不當會使立柱樁產(chǎn)生不均勻沉降并且造成地下結(jié)構(gòu)的立柱傾斜，研究施工變形對逆作法結(jié)構(gòu)的影響可為逆作法地下結(jié)構(gòu)豎向支承體系設(shè)計提供理論依據(jù)。文章基于榮成市旭日公館高層住宅基坑項目，采用規(guī)范公式和建立彈性支撐模型的方法，研究了施工變形對逆作法結(jié)構(gòu)豎向承載力的影響，分析了立柱樁產(chǎn)生不均勻沉降時上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，闡明了地基梁上最大沉降點位置、梁上最大彎矩以及剪力的變化情況。結(jié)果表明:支承柱端水平位移為150 mm時支承柱的豎向承載力減小一半，而二階效應(yīng)將會進一步削弱柱的豎向承載力；中柱產(chǎn)生不均勻沉降時對臨柱內(nèi)力及位移影響大于邊柱，對結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性影響較大，當不斷減小中柱沉降時最大內(nèi)力位置點逐漸向梁中部轉(zhuǎn)移。

逆作法結(jié)構(gòu)；施工變形；承載力；沉降

0 引言

逆作法施工過程中立柱樁和支承柱組成的支撐系統(tǒng)是地下結(jié)構(gòu)的主要豎向支承結(jié)構(gòu)［1-4］。但是實際工程中由于樁底沉渣清理不合格等施工原因，往往引起立柱產(chǎn)生不均勻沉降或者立柱傾斜的狀況。豎向支撐系統(tǒng)的這種變形會減小結(jié)構(gòu)的承載能力，使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂。國內(nèi)外專家學(xué)者對立柱變形進行了大量的試驗研究和理論分析［5-8］。徐至鈞等針對逆作法做了詳細的介紹，并提出中間支承柱的設(shè)計和沉降差異控制的相關(guān)理論［9］；翁其平等對軟土地區(qū)超大基坑中逆作法的研究，并提出墻底注漿和樁底注漿來提高逆作法施工期間土體抗隆起安全系數(shù)的做法［10］；范慶國等利用有限元對深基坑逆作法進行設(shè)計，并提出了“上部結(jié)構(gòu)—地下連續(xù)墻—樁基礎(chǔ)—地基”共同作用理論［11］；徐中華通過變形實測分析，提出采用地下連續(xù)墻和樁底注漿的方法減小沉降及其沉降差異，并完成了對大開口全逆作法的設(shè)計［12］。熊楚炎從設(shè)計和施工角度出發(fā)，對逆作法施工過程中鋼立柱的垂直度偏差過大的原因進行了分析，給出了防止鋼立柱垂直度偏差過大的預(yù)防措施［13］。在已有的研究成果的基礎(chǔ)上，文章以榮成市旭日公館地下室基坑逆作法為例，對逆作法施工過程立柱變形對上部結(jié)構(gòu)影響進行探討。

1 工程概況

1.1 場地情況

基坑位于榮成市文化東路，農(nóng)業(yè)銀行東側(cè)。擬建筑物總建筑面積約53300.56 m2，其中地下部分為5686.56 m2?；哟笾鲁收叫畏植?，南北長約56 m，東西長約55 m?；娱_挖深度為12.30 m，屬超大深基坑工程。逆作法基坑采用的是樁筏基礎(chǔ)，四周為直徑800 mm的灌注排樁作圍護體結(jié)構(gòu)梁板作為水平構(gòu)件，一柱一樁作為基坑的豎向支撐體系。基坑支護方案示意圖如圖1所示。

圖1 基坑支護示意圖

工程重要性等級為二級，場地及地基復(fù)雜程度為二級，基坑側(cè)壁安全等級為一級。周圍環(huán)境及地質(zhì)條件復(fù)雜根據(jù)現(xiàn)場的巖土工程勘察報告，該場地范圍內(nèi)的土層自上而下為 ①層為雜填土，層厚為1.2～2.1 m，顏色為黃褐色等，松散，稍濕，成分以回填砂性土為主，局部含有大量磚石塊；②層為粉質(zhì)粘土，層厚1.50～2.50 m，顏色為灰褐色、黃褐色等，此 ②層具有中壓縮性，呈粘土和粉質(zhì)粘土狀。其余各層物理參數(shù)見表1。

表1 土的力學(xué)參數(shù)指標

1.2 豎向支撐系統(tǒng)的設(shè)計

1.2.1 支承柱初步設(shè)計

基坑采用的是上下同步逆作法施工工藝，即下部開挖土層的同時對上部結(jié)構(gòu)進行施工。因此要考慮支承柱承載力是否能夠滿足不同施工情況下的荷載。地下室采用一柱一樁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，根據(jù)JGJ 165—2010《地下建筑工程逆作法技術(shù)規(guī)程》［14］和GB 50936—2014《鋼管 混 凝 土 結(jié)構(gòu) 技 術(shù) 規(guī)范》［15］，選取外徑D為600 mm的鋼管，管壁厚t為16 mm。鋼管選用Q345，內(nèi)填C45混凝土。根據(jù)規(guī)范計算，鋼管混凝土軸心受壓承載力設(shè)計值Nu＝14479 kN?；炷疗拭鎴D和鋼管混凝土柱與立柱樁構(gòu)造如圖2所示。

圖2 鋼管混凝土柱與立柱樁構(gòu)造圖

1.2.2 立柱樁初步設(shè)計

根據(jù)設(shè)計院提供的荷載分布情況，當修建至商業(yè)三層時傳至基底荷載組合值總和為141619 kN。根據(jù)JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的要求，地下結(jié)構(gòu)及上部荷載分布形式以及樁的類型和樁身材料強度方面進行分析計算，為了保證設(shè)計施工安全，取其中的最小值進行立柱樁的設(shè)計［16］。選用42根樁徑800 mm的灌注樁，底板下長度為5 m，混凝土等級為C30，單樁承載力特征值為3783.1 kN。

2 施工變形對逆作法結(jié)構(gòu)的影響

2.1 施工變形對逆作法結(jié)構(gòu)豎向承載力的影響

在基坑開挖時由于施工不當造成支承柱的傾斜或者折斷情況時有發(fā)生。當支承柱柱發(fā)生傾斜時，會降低支承柱豎向承載力，嚴重影響工程進度［17-20］。為使設(shè)計計算結(jié)果更為安全準確，選取地下一層為研究對象，支承柱傾斜后視為偏心受壓柱，即傾斜率越大偏心距越大。根據(jù)GB 50936—2014，分別考慮當不同柱端水平位移發(fā)生時支承柱的承載力［15］。擬合后的柱端不同水平位移對應(yīng)的承載力趨勢圖如圖3所示。

圖3 柱端水平位移與豎向承載力關(guān)系圖

支承柱的承載力由式（1）表示為

式中:Nu為鋼管混凝土柱軸心壓力設(shè)計值，kN；Ac為鋼管內(nèi)核心混凝土橫截面積，取253388 mm2；fc為核心混凝土的軸心抗拉強度設(shè)計值，按JGJ 94—2008 取21.1 N／mm2［16］；θ為鋼筋混凝土套箍指標，取1.89；φt為考慮長細比影響的承載力折減系數(shù)，與偏心距e變化有關(guān)；φe為考慮偏心率影響的承載力折減系數(shù)，當立柱傾斜時即認為偏心受壓柱，與偏心距e變化有關(guān)，按照GB 50936—2014中6.1.3不同情況分別取值［15］。

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，在0～150 mm水平位移范圍，柱端水平位移對承載力影響比較明顯，隨著水平位移增加立柱的豎向承載力顯著減小。而當水平位移超過150 mm時，隨著端部水平位移變大，柱的豎向承載力變化率逐漸減小。位移承載力計算結(jié)果見表2。當水平位移在10～40 mm時豎向承載力減小很快，每10 mm承載力下降達到1000 kN。而當柱端位移達到150mm時，立柱豎向承載力只有柱端水平位移為10mm時的一半。由于二階效應(yīng)的影響，支承柱的側(cè)向變形將會進一步增加，同時引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件產(chǎn)生更多附加內(nèi)力；當側(cè)向變形很大時，支承柱將失去承載能力。因此，在實際工程中，要嚴格控制柱身傾斜率，防止支承柱傾斜造成承載力不足的現(xiàn)象發(fā)生。

表2 位移承載力計算結(jié)果

2.2 施工變形對逆作法結(jié)構(gòu)沉降的影響

場區(qū)內(nèi)土的力學(xué)參數(shù)指標見表1。②層粉質(zhì)粘土及以下土層均具有中或低壓縮性，力學(xué)性質(zhì)較好，其中 ⑤層強風化片麻巖為較好的端樁持力層，采用端承型樁能夠提供較大的承載力，并且可以很好的減小結(jié)構(gòu)的沉降。立柱樁布置圖如圖1所示。

2.2.1 單樁沉降計算

樁基不均勻沉降會減小其承載力，影響上部結(jié)構(gòu)的安全性［21-25］。因此，樁基沉降的控制是逆作法施工的關(guān)鍵。工程采用樁筏基礎(chǔ)，樁基嵌入中風化巖石。根據(jù)JGJ 94—2008，不考慮承臺地基土分擔荷載，采用分層總和法計算土層的沉降［7，16］。單樁沉降由式（2）表示為

式中:S為單樁沉降值，mm；Ψ為樁基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；n為計算深度范圍內(nèi)土層的計算分層數(shù)；σzi為水平面影響范圍內(nèi)各基樁對應(yīng)力計算點樁端平面一下第i層土1／2厚度出產(chǎn)生的附加豎向應(yīng)力之和，kN／m2；Esi為第i計算土層的壓縮模量，MPa；Δzi為第i計算土層厚度，m；se樁身壓縮量，mm。經(jīng)計算，42根樁沉降結(jié)果見表3。

表3 單樁沉降值 ／mm

根據(jù)JGJ 94—2008，框架結(jié)構(gòu)相鄰柱基沉降差不得超過0.002 l，l即為柱間距［16］。取最大沉降差相鄰樁基，算得沉降差為0.0008 l，樁的沉降在允許范圍內(nèi)，設(shè)計滿足要求。文中計算得出沉降數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)很小，沉降差異甚至可以忽略不計，驗證了JGJ 94—2008中對于嵌入巖石的樁基礎(chǔ)可充分發(fā)揮持力層的承載能力，沉降驗算可以不作考慮的規(guī)定 ［16］。

2.2.2 彈性支承模型的構(gòu)建

沉降計算是建立在立柱樁在理想條件下，沒有考慮到施工不當，周圍環(huán)境堆載或者降水等原因造成的不均勻沉降?？蚣芙Y(jié)構(gòu)相鄰柱基沉降差允許值為0.002 l，即 工程 允 許 的 最大 沉降 差 就 是16 mm［16］。在施工過程中，樁底沉渣沒有清理到標準高度，在后續(xù)施工過程中使樁頂差生了15 mm的沉降，相鄰柱基沉降超過允許值，已威脅上部結(jié)構(gòu)的安全性?；诖思僭O(shè)，分析不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)的影響。

引入彈性支承模型，即將梁下部的柱、樁簡化為一個具有一定剛度的彈簧，通過減小柱下彈簧的倔強系數(shù)使柱產(chǎn)生沉降［22］。由于倔強系數(shù)減小產(chǎn)生的彈簧壓縮量即為樁、柱沉降引起的位移。圖1中剖面部分，簡化后的模型如圖4所示，將6跨的框架簡化為6根彈簧支座的連續(xù)梁，梁端為鉸接，連續(xù)梁長度取55.5 m。

圖4 彈性支承模型圖

根據(jù)單樁沉降值S，可得出平均沉降值Sm，進而反算出基床系數(shù)K＝p／Sm，其中p為基底平均附加壓力，kN／m2；Sm為平均沉降，mm。彈簧倔強系數(shù)為基床系數(shù)K與連續(xù)梁寬度b的乘積，kN／m2。

2.2.3 不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響分析

改變彈簧倔強系數(shù)，使柱1在初始沉降的基礎(chǔ)上發(fā)生了15.7 mm的沉降；同樣的條件，柱2發(fā)生了16.5 mm的沉降；柱3發(fā)生20.1 mm的沉降。以左側(cè)固端為坐標原點，各柱發(fā)生沉降后，連續(xù)梁上變形、彎矩及剪力對比圖如圖5、6所示。

圖5 各柱沉降后連續(xù)梁整體變形對比圖

圖6 各柱沉降后連續(xù)梁內(nèi)力對比圖

連續(xù)梁上沉降及內(nèi)力值見表4、5，可以看出當柱1、2、3較大的沉降時，對連續(xù)梁上其他柱沉降和內(nèi)力的影響。柱1沉降后，其承擔的彎矩減少，由原來的344.9 kN·m減小到-6.2 kN·m，而其臨柱柱2則由324.1 kN·m增加到569.2 kN·m，同時也引起其他柱的彎矩發(fā)生不同程度的變化；沉降后柱1的剪力減小了44.5 kN，而臨柱柱2承擔了更多的剪力。

表4 各柱沉降對比表／mm

表5 梁內(nèi)力對比表

柱2沉降后，柱2承擔的彎矩由原來的324.1 kN·m減小到-112.5 kN·m，其臨柱彎矩發(fā)生了較大的增加，而柱4、柱6彎矩不同程度減?。患袅ψ兓厔莺蛷澗卮笾孪嗤?。

柱3沉降后相較于柱4發(fā)生19.8 mm的沉降差，柱3承擔的彎矩由原來的404.2 kN·m變成-130.4 kN·m，除去柱1、柱5彎矩有所減小外，其余各柱彎矩都有不同程度的增大，尤其是臨柱2、4彎矩變化最大。

柱1發(fā)生15.7 mm的沉降時，不僅支座沉降，也帶動其他支座沉降，與柱1相鄰最近的柱2的沉降變化最大，而隨著與柱1距離增加，影響越來越?。?3］。這是由于逆作法結(jié)構(gòu)整體剛度大，當柱1下降使其部分軸力傳遞給柱2，引起柱2內(nèi)力發(fā)生變化同時造成柱2沉降。同樣，由于柱2、3不均勻沉降而造成的內(nèi)力及位移響應(yīng)原理也是如此。立柱沉降原因引起的其它柱沉降變化很小的原因是采用用模型時選取的彈簧倔強系數(shù)比較大，但實際工程中由于單樁沉降引起其余樁發(fā)生傾斜或沉降的現(xiàn)象還是明顯的。

在彈性支承模型下，柱1、2、3發(fā)生同樣的沉降時，柱3采用的柱下彈簧倔強系數(shù)要遠小于前兩者。對比三柱沉降影響，可以看到柱3對臨柱的影響要大于柱1和柱2。采用上述模型時，發(fā)生相同沉降條件下，中柱影響大于邊柱，對彎矩影響更顯著。逆作法支護整體剛度大，當某柱沉降時，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力隨之調(diào)整，內(nèi)力反過來又會作用到各個柱上，使各柱沉降發(fā)生變化。實際工程中觀察到的沉降值也是上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布以及上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)相互作用動態(tài)調(diào)整的結(jié)果［24］。

2.2.4 梁上最大沉降及內(nèi)力統(tǒng)計分析

改變柱3彈簧倔強系數(shù)，統(tǒng)計連續(xù)梁上最大沉降值Smax（mm）、最大彎矩Mmax（kN·m）和最大剪力Vmax（kN）以及最大沉降分別所對應(yīng)的位置，得到倔強系數(shù)同它們的關(guān)系，如圖7、8所示。分析圖7（a），可以看到隨著梁下彈簧倔強系數(shù)不斷增加，即連續(xù)梁上柱3沉降不斷減小，而且梁上的沉降速率也逐漸減小，最終沉降趨于緩和，不再變化。連續(xù)梁上最大沉降結(jié)果見表6。通過表6可以看到，改變彈簧倔強系數(shù)時，發(fā)生最大沉降的位置也發(fā)生了改變。因為彈簧倔強系數(shù)增加，立柱產(chǎn)生的沉降逐漸減小并逐漸恢復(fù)承載能力，最大變形逐漸向跨中轉(zhuǎn)移，當彈簧倔強系數(shù)達到5.5×105kN／m2時，最大位移已經(jīng)從柱3對應(yīng)23.7 m的位置轉(zhuǎn)移到19 m的位置，通過圖7（b）可知，最大沉降位置在19～24 m范圍內(nèi)浮動。

圖8是將連續(xù)梁上彎矩和剪力取絕對值，在不同倔強系數(shù)下的最大內(nèi)力變化圖，梁上最大內(nèi)力結(jié)果見表7。在1×105～2×105kN／m2范圍內(nèi)梁上最大內(nèi)力變化最為明顯。最大彎矩一直在31.6 m處，即柱3的右臨柱柱4位置處；當彈簧倔強系數(shù)小于2×105kN／m2，最大剪力位于柱4位置。而大于2× 105kN／m2時最大剪力位置發(fā)生改變，轉(zhuǎn)移至柱6的位置。由上述分析可知，當柱沉降變形增大時，臨柱柱4承擔的彎矩及剪力增大最為明顯，受到的影響最大。

圖7 連續(xù)梁上最大沉降圖

圖8 連續(xù)梁上最大內(nèi)力圖

表6 梁最大沉降及位置表

表7 梁最大內(nèi)力表

3 結(jié)論

通過上述研究可知:

（1）柱身的傾斜對承載力影響非常明顯，當柱端位移達到150 mm時，立柱豎向承載力只有柱端位移為10 mm時的一半，同時由于二階效應(yīng)的影響，立柱的側(cè)移將會進一步增加同時引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件產(chǎn)生更多附加內(nèi)力。一旦超過某個限值，承載力就會迅速下降甚至失去承載能力。采用規(guī)范公式計算所得沉降數(shù)據(jù)與實踐應(yīng)用中數(shù)據(jù)有較好的吻合，證明該結(jié)論的安全合理性。

（2）針對逆作法設(shè)計中沉降不均分析，建立彈性支承體系，將支撐系統(tǒng)等效為具有一定剛度的彈簧，通過改變彈簧剛倔強系數(shù)使結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降，這種等效方法可以簡單有效的解釋沉降與內(nèi)力的關(guān)系。當立柱樁產(chǎn)生沉降時，中柱沉降作用要明顯大于邊柱沉降，對結(jié)構(gòu)的的承載力和穩(wěn)定性影響也較大；隨著中柱沉降減小直至到初始狀態(tài)時，梁上最大沉降點和最大內(nèi)力位置點逐步向梁中部轉(zhuǎn)移。實踐中應(yīng)用觀測數(shù)據(jù)也表明了結(jié)論的可行性。

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（學(xué)科責編：吳芹）

Analysis of influence of construction deformation on construction of top-down method

Zhang Zhihao，Wei Huanwei*，Kong Jun，et al.
（School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250014，China）

Improper construction during construction of top-down method will cause the uneven settlement of column pile and column inclination.Research on the influence of construction deformation on the construction of the top-down method can provide a theoretical basis for the topdown method of underground structure vertical supporting system.Based on the foundation project for Xuri high-rise apartment building in Rongcheng，by using the code formula and the method of the elastic supportmodel，the paper studies the influence of construction deformation on vertical bearing capacity of construction of top-downmethod，analyzes the upper structure's internal force variation and the changes ofmaximum subsidence point position for vertical pile's uneven settlement and maximum moment and shear on the beam.The results show that，when the horizontal displacementof supporting columns is 150mm，the supporting column vertical bearing capacity will reduce by half，while the second-order effects will further weaken the vertical bearing capacity of the columns；uneven settlement on themiddle column has the biggest influence on internal force，displacement of adjoining columns and bearing capacity，stability of the structure than other columns.Since the uneven settlement on themiddle column gradually reduces，the biggest internal force transfer to themiddle of beam.

construction of top-downmethod；construction deformation；bearing capacity；settlement

TU 443

A

1673-7644（2017）03-0238-07

2017-04-28

國家自然科學(xué)基金項目（41272281）；山東省自然科學(xué)基金項目（ZR2012EEM016）

張志浩（1992-），男，在讀碩士，主要從事地基基礎(chǔ)與基坑支護新技術(shù)等方面的研究.E-mail:748756511＠qq.com

*：魏煥衛(wèi)（1974-），男，副教授，博士，主要從事巖土工程共同作用和變形控制等方面的研究.E-mail:13181718169＠163.com