井筒式地下車庫圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工力學(xué)特性的數(shù)值分析

張 創(chuàng)， 張 鎮(zhèn)， 鄒仕偉， 張福麟， 龍 杰

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

隨著我國城市機(jī)動(dòng)車保有量的不斷增加，截至2017年底，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.10億輛。在有限的城市公共地面環(huán)境條件下建設(shè)地下停車場(chǎng)是緩解城市機(jī)動(dòng)車停車難的有效途徑，而埋深于地下的井筒式車庫可作為一種較好的選擇[1]。由于井筒式地下車庫工程具有高度的復(fù)雜性,國內(nèi)有關(guān)的工程實(shí)踐并不多，2016年杭州修建了單建的井筒式地下車庫,該車庫井筒的直徑為20 m,井筒的深度達(dá)到24 m,可停放108輛機(jī)動(dòng)車[2]。而在以砂卵石地層為主的西南地區(qū)尚未有類似的工程案例，因此有必要對(duì)位于砂卵石地層中的井筒式地下車庫開展研究，找出其圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及主體結(jié)構(gòu)的變形和受力特性，為此類地層中井筒式地下車庫的設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)。目前的圓形深基坑工程大多集中在軟土地區(qū)，且主要采用地下連續(xù)墻作為深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以充分發(fā)揮其內(nèi)部空間大等的突出優(yōu)點(diǎn)[3]。但近幾年來，隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以砂卵石土地層為主的成都平原地區(qū)也逐漸出現(xiàn)了圓形深基坑工程，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了排樁框架式圍護(hù)結(jié)構(gòu)[4-7]。

本文以砂卵石土地層中某埋深的井筒式地下車庫為研究對(duì)象，采用的排樁框架基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)井筒式圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工期間的力學(xué)特性進(jìn)1 工程概況和計(jì)算模型

1.1 工程概況

某井筒式地下車庫處于以砂卵石土為主的地層中，如圖1所示為車庫的結(jié)構(gòu)簡圖，井筒為圓形的深基坑，基坑的內(nèi)徑為20 m，坑深為20 m。為確保井筒深基坑在開挖期間的穩(wěn)定性，擬采用以圍護(hù)樁與連接各樁的圈梁包括冠梁和腰梁所構(gòu)成的空間排樁框架結(jié)構(gòu)作為井筒的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。圍護(hù)樁為澆筑C30混凝土的鉆孔灌注樁，樁的直徑為1.2 m。樁頂設(shè)置冠梁，寬度為1.0 m，高度為0.6 m。其下設(shè)置腰梁，采用環(huán)形鋼箱梁，共設(shè)置4級(jí)，設(shè)置深度分別為4 m、8 m、12 m、16 m，截面尺寸均為400 mm×300 mm×14 mm×14 mm。排樁墻由42根排樁在平面上以15 m等間距進(jìn)行排列，樁長25 m，嵌固深度5.0 m。井筒基坑周圍地層由上至下依次為填土(0～2 m)、粉質(zhì)黏土(2～6 m)、卵石(6～23 m)、泥巖(23 m以下)，各地層土體的主要參數(shù)見表1。

(a)車庫平截面

(b) 車庫剖面圖1 車庫主體結(jié)構(gòu)及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)

表1 地層主要物理力學(xué)參數(shù)

1.2 模型建立

為分析井筒筒身土體在被開挖期間圍護(hù)樁的變形與力學(xué)特性，采用Flac3D建立三維數(shù)值模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。地層的砂卵石土采用摩爾庫倫理想彈塑性模型的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，而圍護(hù)樁則采用pile單元模擬，與圍護(hù)樁中連接的冠梁、腰梁均采用beam單元加以模擬。為了反映井筒及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空間特征，本文采用空間全基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)建模的方式建立三維結(jié)構(gòu)模型，模型左右兩側(cè)面距基坑中軸線距離為5倍坑徑，從而減少底部邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。底端距樁底0．5倍樁長，所建立的井筒式地下車庫的三維數(shù)值模型如圖2所示。

(a)整體模型

(b)開挖后剖面圖2 數(shù)值分析模型

1.3 邊界條件

圖1中未標(biāo)注空間坐標(biāo)系。位移邊界條件為：x=-50m面和x=50m面，約束方向x的位移；y=-50m面和y=50m面，約束y方向的位移；底部z=-50m，約束水平方向和豎直方向位移；頂面不加約束，為自由面。

1.4 施工模擬步驟

由于井筒基坑尺寸較小，假定開挖時(shí)間比較短，按不排水的條件進(jìn)行模擬分析。三維基坑開挖過程的數(shù)值模擬實(shí)施過程如下：

(1)工況1：建立土體模型，分為Soil和Exc。進(jìn)行初始平衡，形成開挖前土體的初始應(yīng)力場(chǎng)。

(2)工況2：施作冠梁和圍護(hù)樁，把初始平衡形成的位移清零，然后開挖至-4.5 m，進(jìn)行有限差分計(jì)算，得到第一步開挖后的應(yīng)力場(chǎng)。

(3)工況3：施作-4 m處的第一道支撐，然后開挖至-8.5 m，進(jìn)行有限差分計(jì)算，得到第二步開挖后的應(yīng)力場(chǎng)。

(4)工況4：施作-8 m處的第二道支撐，然后開挖至-12.5 m，進(jìn)行有限差分計(jì)算，得到第三步開挖后的應(yīng)力場(chǎng)。

(5)工況5：施作-12 m處的第三道支撐，然后開挖至-16.5 m，進(jìn)行有限差分計(jì)算，得到第四步開挖后的應(yīng)力場(chǎng)。

(6)工況6：施作-16 m處的第四道支撐，然后開挖至-25 m，進(jìn)行有限差分計(jì)算，得到第五步開挖后的應(yīng)力場(chǎng)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 圍護(hù)樁受力和變形結(jié)果分析

通過對(duì)井筒式深基坑在上述開挖步驟的模擬計(jì)算，得到了圍護(hù)樁側(cè)向位移和內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果，其分別如圖3和圖4所示?？梢姡瑯扼w側(cè)向位移分布模式均呈中間大兩端小的特征，在開挖到坑底時(shí)，圍護(hù)樁的最大側(cè)向位移為8.51 mm，出現(xiàn)位置位于距地面約15.5 m深度處；當(dāng)開挖到坑底時(shí)，樁身的最大剪力為146 kN(距地面22 m處)，最大彎矩為711.2 kN·m(距地面深17 m處)，彎矩分布模式有雙向分布特征。同時(shí)，隨著開挖深度的增加，樁體側(cè)向位移量逐漸增大，且出現(xiàn)位置逐漸變深。

圖3 樁體側(cè)向位移

2.2 圈梁內(nèi)力

以開挖步驟6為例，計(jì)算得到的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中設(shè)置的各圈梁內(nèi)力如圖5所示。其中，圈梁從X軸正方向以逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的圓心角為正?？梢?，冠梁受力主要以軸向壓力為主，彎矩和剪力相對(duì)較小，冠梁的最大軸力、剪力和彎矩分別為105 kN(壓力)、35.05 kN、38.88 kN·m。

圖4 樁體側(cè)向彎矩

圍護(hù)結(jié)構(gòu)中圈梁的最大彎矩和剪力如表2所示。從表2、圖5可以看出腰梁同樣是以軸力主，且其軸力分布具有均勻性的特征。其中，第三道腰梁軸力最大，第一道軸力最小，最后四道腰梁略大于第一道，這是由于隨著開挖深度的增加，圍護(hù)樁變形逐漸增大(尤其是靠近基坑中下位置部分，如圖3所示) ，因此，導(dǎo)致下面的腰梁軸力比上面的大。

圖5 圈梁軸力

表2 圈梁最大彎矩和剪力

3 影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力的主要因素

由于砂卵石地層中井筒深基坑涉及的參數(shù)較多，需要在設(shè)計(jì)計(jì)算前對(duì)參數(shù)大小進(jìn)行假定，這些參數(shù)假定的合理性將直接影響到計(jì)算結(jié)果。本節(jié)將結(jié)合數(shù)值分析手段，對(duì)排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的各重要組成部分的合理參數(shù)取值進(jìn)行分析，為砂卵石地層中井筒式車庫深基坑的排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

3.1 圍護(hù)樁樁徑

在不同圍護(hù)樁樁徑下(其他參數(shù)不變)，樁的側(cè)向水平位移及圈梁內(nèi)力結(jié)果如圖6和表3所示?？梢?，相對(duì)其他樁徑而言，樁徑為0.8 m時(shí)圍護(hù)樁的側(cè)向位移量最大，且最不利腰梁的軸向壓力最大。在樁徑為1.2 m時(shí)，樁的側(cè)向位移與樁徑為1.5 m的側(cè)向位移相比只大12 %，而且最不利腰梁的軸力為最小。因此，綜合而言，對(duì)于本基坑，在樁心距與樁徑之比為1.25的情況下，選擇樁徑為1.2 m是相對(duì)較為合理的。

圖6 樁體側(cè)向位移

表3 最不利圈梁軸力

3.2 樁端嵌固條件

為分析不同嵌固條件對(duì)圍護(hù)樁的受力和變形的影響，模型嵌固深度取值分別為：5 m、8 m，同時(shí)采用砂卵石和泥巖兩種嵌固地層，最后得出不同嵌固條件下圍護(hù)樁的最大水平位移及最大彎矩情況，如表4所示。

從表4中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)嵌固在砂卵石地層的情況下，圍護(hù)樁彎矩和水平側(cè)移比基巖情況下偏大，其中最大側(cè)移量約增加了37 %；同時(shí)還可看出，在同樣的嵌固地層情況下，嵌固段長5 m、8 m對(duì)圍護(hù)樁內(nèi)力、側(cè)向位移的影響并不顯著。其中在泥巖的情況下，嵌固深度在5 m、8 m時(shí)的樁體內(nèi)力與位移幾乎沒有差別；在砂卵石的情況下，嵌固深度在5 m、8 m時(shí)的樁體內(nèi)力與位移分別相差約在5 %之內(nèi)。因此對(duì)于本基坑所處的砂卵石地層，圍護(hù)樁嵌入基巖5 m是一個(gè)合理的深度值。

表4 圍護(hù)樁不同嵌固條件下計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

通過對(duì)井筒式地下車庫圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間的變形和力學(xué)特性的模擬計(jì)算，得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)于砂卵石土地層而言，其井筒式深基坑的圍護(hù)樁在基坑開挖過程中側(cè)向位移逐漸增大，且最大側(cè)向位移位置逐漸下降，最大位移出現(xiàn)在距離坑底0.35倍坑深處，其分布為兩端小中間大的分布形態(tài)。

(2)在基坑開挖過程中，冠梁和腰梁力均以軸力為主，彎矩和剪力較小。其中，冠梁軸力比其他腰梁軸力小。在各道腰梁中，第三道腰梁軸力最大，其值為第一道腰梁軸力的2.1倍。

(3)在不同樁徑下，圍護(hù)樁側(cè)向變形和圈梁的軸力隨樁徑的增大而減小，但其增大值變小，根據(jù)計(jì)算在本基坑中，樁徑為1.2 m較為合適。

(4)圍護(hù)樁嵌固端深度增大，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響不大，并不能認(rèn)為嵌固深度增加能增強(qiáng)基坑的穩(wěn)定。但嵌固地層為泥巖時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形要明顯好于砂卵石地層。