不連續(xù)多樁承臺基礎(chǔ)條件下基坑支護技術(shù)研究

劉艷剛

（中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030000）

疏排樁-土釘墻組合支護技術(shù)是一種全新組合支護方案，該支護方式能充分利用土拱效應(yīng)、土釘對樁間土體強化和對樁間土壓力傳導(dǎo)，部分工程項目對該組合支護形式進行實踐，目前已經(jīng)取得較好的成果[1]。在既有建筑基坑周邊非連續(xù)多樁承臺基坑開挖過程中，既有建筑樁基同時具備一定的承載力和抵抗土壓力，對此提出采用組合支護技術(shù)對該區(qū)域非連續(xù)多樁基礎(chǔ)進行支護[2]。

目前，國內(nèi)外對與既有建筑物相鄰的基坑開挖問題，多數(shù)從基坑對樁基的影響方面出發(fā)，而并無報道關(guān)于既有建筑物樁基用作基坑圍護結(jié)構(gòu)的可行性和支護技術(shù)研究。為進一步優(yōu)化該項工作，對基坑工程支護施工進行全面技術(shù)指導(dǎo)與支持，該文將進行研究。

1 不連續(xù)多樁承臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)間的土拱有限元模擬

在基坑工程的實際施工過程中，土拱結(jié)構(gòu)多數(shù)呈現(xiàn)三維狀態(tài)，即地表位置對應(yīng)的土拱較高大，此處土拱后部產(chǎn)生的推力較小，而基坑地表位置的矢高相對較小，此處土拱后部產(chǎn)生的推力相對較大[3]。為掌握在該條件下土拱的受力情況，采用ABAQUS對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工結(jié)構(gòu)進行三維有限元分析。

建立結(jié)構(gòu)三維模型后，對應(yīng)模型的平面如圖1所示。

圖1 模型的平面圖

在建模過程中，應(yīng)明確基坑工程的設(shè)計寬度為20m，工程的開挖深度為12m。根據(jù)工程基本情況，所建立的計算結(jié)構(gòu)模型屬于對稱模型，因此，在模型的X方向，應(yīng)保證基坑寬度至少為10m，根據(jù)在開挖過程中的土拱影響，應(yīng)為開挖深度的3～4倍，即對應(yīng)的土拱影響應(yīng)≥10D（其中D為樁徑）。由此可見，在構(gòu)建模型過程中，當(dāng)X方向的值為50m時，可滿足需求[4-5]。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，采用全局布局的方式，對其進行模型裝配與網(wǎng)格劃分，過程如圖2所示。

圖2 模型的裝配與網(wǎng)格劃分

為保證計算效果，當(dāng)有限元模型裝配與網(wǎng)格劃分時，在模型的底部，須控制X、Y、Z這3個方向的位移，在基坑開挖的X方向，對模型進行對稱約束，在基坑開挖的Y方向，考慮前排與后排承臺結(jié)構(gòu)間連梁的約束作用，可根據(jù)具體情況，在承臺結(jié)構(gòu)的左側(cè)，以施加X方向位移對應(yīng)“0”的條件作為約束[6]。通過上述方式，構(gòu)建計算模型。

2 不連續(xù)多樁承臺基礎(chǔ)條件下基坑支護有限元分析

2.1 實際工況模擬

對模型的選擇沿用上文，土釘墻的面層厚度為100mm，土釘長度設(shè)置為12m，傾斜角度設(shè)置為10°。將土釘以嵌入的方式固定在面層和土體中[7-8]。不連續(xù)多樁承臺基礎(chǔ)基坑支護有限元模型示意如圖3所示。

圖3 不連續(xù)多樁承臺基礎(chǔ)基坑支護有限元模型示意圖

在模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工況在模型上對其進行模擬。首先，采用ABAQUS自帶的地應(yīng)力平衡方法Geostatic在keywords中編輯地應(yīng)力平衡，并賦予初始應(yīng)力場。在過程中，規(guī)定樁體密度與土體密度相同。其次，通過Bodyforce（體力），加上樁體與土體實際質(zhì)量間存在的差值。再次，施加一個樁頂均布荷載，用于模擬上部結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)的荷載。對基坑模擬進行開挖。將開挖深度設(shè)置為12m，開挖共9步，第一步和第二步分別開挖1m，第三步到第八步開挖1.5m，第九步開挖1m。采用生死單元的形式，在每次分析中輸入model、change、remove語句，移除開挖掉的土體。最后，在深1.5m的位置設(shè)置第一排土釘，并要求第一批到第七排的土釘在豎直方向的間隔距離為1.5m。根據(jù)上述流程，完成在不連續(xù)多樁承臺基礎(chǔ)條件下基坑支護模擬施工。

2.2 樁基礎(chǔ)受力分析

為確定土釘長度對基樁彎矩的影響，以軸線間隔距離為7.2m為例，分析當(dāng)土釘長度為10m和15m時基樁的彎矩。數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 土釘長度對基樁彎矩影響分析數(shù)據(jù)記錄表

通過分析得出，土釘長度越長，基樁彎矩越小。

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，明確基樁的彎矩抗力應(yīng)用滿足條件，如公式（1）所示。

式中：M為基樁的彎矩抗力；α1為表系數(shù)；fc為混凝土軸心位置上的抗壓強度設(shè)計值；b為矩形橫截面的寬度；x為混凝土受壓區(qū)域所在位置高度；h0為橫截面的有效高度；f'y為豎直方向上鋼筋的抗拉強度設(shè)計值；A's為豎直方向上普通鋼筋的橫截面面積；a's為受壓區(qū)域豎直方向上普通鋼筋合力點到截面受壓邊緣的距離。若建筑物上部的荷載全部由支護結(jié)構(gòu)中的4根基樁承擔(dān)，則可以計算混凝土受壓區(qū)域所在位置高度，如公式（2）所示。

式中：N為作用力。采用公式（2）可以判斷基樁是否為大偏心受壓。根據(jù)上述分析，同樣結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，矩形橫截面斜截面承載力的規(guī)定驗算基樁的抗剪能力如公式（3）所示。

式中：V為矩形橫截面斜截面承載力的規(guī)定驗算基樁的抗剪能量；βc為混凝土的強度影響系數(shù)。根據(jù)公式（3），結(jié)合有限元分析，可提取基坑開挖時的基樁剪力。

2.3 荷載傳遞規(guī)律分析

土拱對荷載主要有傳遞和調(diào)節(jié)的作用。在基坑后一部分土壓力通過土工傳遞給樁基礎(chǔ)，拱頂前自由區(qū)域土體由土釘墻承擔(dān)。隨著土釘埋深不斷增加，土體側(cè)移梁降低，土拱作用減弱，相鄰?fù)玲數(shù)妮S力分布越接近。結(jié)合土釘受力的一般規(guī)律以及土拱形態(tài)，將坑內(nèi)土體劃分4個不同區(qū)域，分別為拱前約束區(qū)域、拱后約束區(qū)域、樁后擠密區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域，如圖4所示。

圖4 不連續(xù)多樁承臺基礎(chǔ)條件下基坑支護下坑后土體劃分示意圖

在土釘骨架約束作用下，支護結(jié)構(gòu)形成加筋式土質(zhì)體系，在拱前約束區(qū)域內(nèi)，一部分荷載由土釘墻所承擔(dān)，另一部分由第一排樁土拱和摩擦土拱傳遞給樁基礎(chǔ)。在拱后約束區(qū)域中，土釘主要有傳遞部分拱前約束區(qū)域荷載和強化拱后土體強度的作用，其荷載主要通過土拱傳遞給樁基礎(chǔ)，嵌入穩(wěn)定區(qū)域的土釘?shù)淖饔妙愃迫蹂^桿，用來承擔(dān)部分荷載。樁后擠密區(qū)的荷載會直接作用在樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。

2.4 基坑側(cè)移

該項目以土釘墻外側(cè)的位移為基坑位移，根據(jù)組合支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，土釘墻主要承擔(dān)拱前限制區(qū)的土體荷載，樁基須承擔(dān)拱背荷載的附加作用。在此基礎(chǔ)上，提出以樁基為中心的土釘支護體系的設(shè)計方法。分別提取不同間距條件下開挖結(jié)束時基坑的側(cè)移量，繪制圖如圖5所示。

圖5 不同軸線距離條件下基坑側(cè)移量變化圖

由圖5可以看出，隨著軸線間隔距離不斷增加，拱前自由區(qū)域和拱后約束區(qū)域的荷載越大，進而面層的側(cè)移也相應(yīng)增加。由于樁基礎(chǔ)受到來自水平方向較大的荷載，使基樁間土體側(cè)移超過樁基礎(chǔ)間的土體側(cè)移。因此當(dāng)軸線間隔距離較大時，應(yīng)注意土釘墻設(shè)計，保證能夠滿足基坑變形的要求。

3 結(jié)語

深基坑開挖是我國土木工程建設(shè)領(lǐng)域的核心理論研究課題，隨著各地“城中村改造工程”、“鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)工程”的進程加快，在高層建筑密集、資源緊缺以及土地緊張的都市環(huán)境中，建設(shè)場地與建筑、道路和地下管線等環(huán)境條件緊密相連，為滿足工程建設(shè)需求，對基坑開挖提出更高的要求。目前，基坑工程呈現(xiàn)“深”、“大”、“近”、“緊”、“難”等特點，在施工技術(shù)持續(xù)優(yōu)化的背景下，基坑開挖方式由傳統(tǒng)的斜挖改為現(xiàn)階段的豎挖。為保障基坑工程的安全性、經(jīng)濟性，技術(shù)人員進行大量研究與試驗，根據(jù)各類基坑工程的特點，設(shè)計多種支護方案。為進一步優(yōu)化支護工作，該文進行研究，通過模擬基坑開挖等現(xiàn)場作業(yè)工況，掌握基坑開挖過程中樁基礎(chǔ)受力情況與荷載傳遞情況，為完善基坑支護等工作提供幫助和指導(dǎo)。