預(yù)制矩形樁在上海軟土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的受力分析與應(yīng)用

陳 晨，劉全林

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.上海強(qiáng)勁地基工程股份有限公司，上海 201800)

在基坑工程中，常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有諸如地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、SMW工法樁、鋼板樁等多種選擇[1]，各種圍護(hù)形式都有各自的優(yōu)勢和不足。在國家大力推行裝配式建筑的今天，預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)化圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用為基坑圍護(hù)提供了綠色化與裝配化的前景。預(yù)制矩形樁作為其中1種預(yù)制圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸在基坑工程得到使用。目前，國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)制矩形樁的受力、計算方法及施工技術(shù)都有較多研究[2-4]，在一些土質(zhì)較好、周邊環(huán)境良好的基坑應(yīng)用中使用取得了不錯的效果。本文以上海軟土地區(qū)環(huán)境中兩相鄰基坑為例，通過有限元模擬結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析預(yù)制矩形樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐在上海軟土地區(qū)基坑應(yīng)用中的可靠性，為基坑工程中使用預(yù)制矩形樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供參考。

1 預(yù)制矩形樁的結(jié)構(gòu)型式與設(shè)計計算方法

1.1 預(yù)制矩形樁結(jié)構(gòu)形式

預(yù)制矩形樁采用工廠化生產(chǎn)，制成成品后運(yùn)送至施工現(xiàn)場。預(yù)制矩形樁結(jié)構(gòu)如圖1所示，樁頂甩筋長度為450 mm，與冠梁鋼筋籠連成一體澆筑冠梁，樁身預(yù)留直徑80 mm孔用于起吊構(gòu)件，坑內(nèi)側(cè)樁身設(shè)置預(yù)埋件方便支撐安裝時架設(shè)角鋼牛腿。樁端設(shè)計為錐形，方便沉樁，預(yù)制矩形樁布置如圖2所示。

圖1 預(yù)制矩形樁結(jié)構(gòu)

圖2 預(yù)制矩形樁布置

1.2 預(yù)制矩形樁的設(shè)計計算

1.2.1 圍護(hù)樁內(nèi)力計算

預(yù)制矩形樁采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性地基梁法進(jìn)行分析[5]，彈性地基梁法計算示意圖如圖3所示，將水壓力以及土壓力當(dāng)作荷載，內(nèi)支撐簡化為彈性支座，坑底以下土體視作為彈性地基，圍護(hù)樁視作豎向放置在彈性地基上的梁。

圖3 彈性地基梁法計算

1.2.2 預(yù)制矩形樁抗彎計算

根據(jù)規(guī)范[6]，預(yù)制矩形樁抗彎按式(1)計算

(1)

式中:MU為正截面抗彎承載力設(shè)計值；M為彎矩設(shè)計值。

1.2.3 預(yù)制矩形樁抗剪計算

根據(jù)規(guī)范[6]，預(yù)制矩形樁抗剪按式(2)計算

V≤VCS=0.25βcfcbh0+fyv(ASV/s)h0.

(2)

式中:VCS為正截面抗彎承載力設(shè)計值；V為彎矩設(shè)計值。

1.2.4 預(yù)制矩形樁裂縫計算

根據(jù)規(guī)范[6]，預(yù)制矩形樁裂縫計算按式(3)計算

(3)

式中:ωmax為計算的最大裂縫寬度；ωlim為最大裂縫寬度限值；αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)；ψ為裂縫間縱向鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；σs為縱向受拉普通鋼筋應(yīng)力；ES為鋼筋彈性模量；CS為最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離；ρte為有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率；deq為受拉區(qū)鋼筋等效直徑。

2 預(yù)制矩形樁的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)，主要建筑有F1生產(chǎn)廠房、C1動力廠房、地下車庫等，建筑物位置較分散,需開挖多個基坑，整個項(xiàng)目開挖面積約47 000 m2。建筑場地屬濱海平原地貌類型，場地地勢基本平坦，基坑開挖深度范圍內(nèi)分布的土層主要有素填土及局部分布的浜底淤泥、灰黃色粘土、淤泥質(zhì)粘性土及砂質(zhì)粉土?；酉虏糠植加杏倌噘|(zhì)粘土、軟塑粘性土，土的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。場地地下水位埋深為0.5～0.7 m，主要依靠地表水滲入及大氣降水補(bǔ)給。

2.2 基坑支護(hù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文選取項(xiàng)目中較典型的C1動力廠房及相鄰的F1生產(chǎn)廠房基坑做研究，2個基坑距離約24 m，開挖深度均為7 m左右，場地四周較空曠，基坑安全等級三級，環(huán)境保護(hù)等級三級。經(jīng)過比選可采用SMW工法樁作為基坑豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因本項(xiàng)目整體開挖面積大，施工工期較長，型鋼租賃費(fèi)較高，因而采用700×300預(yù)制矩形樁代替H700×300×13×24型鋼。內(nèi)支撐均采用1道預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐，預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐作為1種裝配式內(nèi)支撐，不僅可以增加挖土的便利性，提高施工速度而且型鋼可回收，綠色環(huán)保。剖面示意圖如圖4所示。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計采用啟明星FRWS板樁模塊進(jìn)行設(shè)計，樁身內(nèi)力計算結(jié)果見表2，裂縫及配筋計算見表3，樁身配筋見圖5。

表1 土的基本物理力學(xué)參數(shù)

圖4 F1，C1基坑剖面

表2 樁身內(nèi)力計算結(jié)果

表3 預(yù)制矩形樁內(nèi)力及配筋計算結(jié)果

圖5 預(yù)制矩形樁配筋

3 預(yù)制矩形樁的結(jié)構(gòu)受力分析與模擬

3.1 有限元模擬及網(wǎng)格劃分

以上節(jié)所列的工程項(xiàng)目為研究對象，考慮到內(nèi)支撐采用的預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐的復(fù)雜性，數(shù)值分析采用PLAXIS2D有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析。PLAXIS作為一個通用巖土工程有限元軟件已大量運(yùn)用于巖土工程的項(xiàng)目中。郝志斌等[7]利用PLAXIS研究了深基坑局部挖深對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。王杰等[8]利用PLAXIS2D對新型樁-土-撐組合支護(hù)體系在工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究。白曉宇等[9]利用PLAXIS有限元軟件研究基坑中使用樁-撐-錨組合支護(hù)體系的變形特性。王興等[10]運(yùn)用PLAXIS2D對深基坑在堆載變化情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀進(jìn)行研究。

表4 模型中土層主要物理力學(xué)參數(shù)

表5 模型中結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算參數(shù)

3.2 開挖工況

工況1：施加地面超載及預(yù)制矩形樁施工。

工況2：左側(cè)F1基坑開挖至內(nèi)支撐中心標(biāo)高以下0.5 m；右側(cè)C1基坑開挖至內(nèi)支撐中心標(biāo)高以下0.5 m。

工況3：放坡面層施工、內(nèi)支撐施工。

工況4：土方開挖至坑底。

3.3 預(yù)制矩形樁受力分析

因左側(cè)和右側(cè)基坑受力具有相似性，所以本文僅對右側(cè)C1基坑進(jìn)行詳細(xì)分析。樁身所受彎矩如圖6、圖7所示，開挖第一層土未加內(nèi)支撐時，圍護(hù)樁上部出現(xiàn)負(fù)彎矩，此時圍護(hù)樁為懸臂狀態(tài)，樁體坑內(nèi)側(cè)受壓。架設(shè)鋼支撐開挖第二層土后，支撐位置處出現(xiàn)負(fù)彎矩，這表明預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐能夠與預(yù)制矩形樁共同工作，形成整體支護(hù)效果。樁身所受剪力如圖8、圖9所示，在鋼支撐位置處，樁身剪力圖出現(xiàn)突變，充分說明支撐對圍護(hù)樁變形的約束作用，且鋼支撐+預(yù)制矩形樁的體系工作良好，對基坑變形有較好的控制作用。對比左側(cè)和右側(cè)預(yù)制矩形樁樁身彎矩圖及剪力圖，C1基坑左側(cè)樁身最大彎矩及最大剪力均小于右側(cè)樁，原因在于F1基坑土體開挖后，C1基坑左側(cè)樁承受的主動土壓力小于右側(cè)樁。

圖6 C1基坑左側(cè)圍護(hù)樁樁身彎矩

圖7 C1基坑右側(cè)圍護(hù)樁樁身彎矩

圖8 C1基坑左側(cè)圍護(hù)樁樁身剪力

圖9 C1基坑右側(cè)圍護(hù)樁樁身剪力

3.4 基坑周邊土體變形分析

基坑開挖完成時網(wǎng)格變形如圖10所示，基坑兩側(cè)地面及兩基坑中間地面均出現(xiàn)向下凹的形態(tài)。兩基坑坑底網(wǎng)格均出現(xiàn)不同程度的向上凸起。

圖10 基坑開挖完成時網(wǎng)格變形

C1基坑右側(cè)20 m范圍土體沉降曲線如圖11所示，C1基坑右側(cè)20 m范圍內(nèi)土體沉降隨著與坑邊距離的增加先增大后減小，坑邊最大沉降位置距離坑邊約6.5 m的位置，最大沉降為23.99 mm。兩基坑中間地面沉降如圖12所示，基坑中間地面沉降表現(xiàn)為兩端小中間大的凹形，距離左側(cè)C1基坑邊約9 m位置最大沉降為35.10 mm，因?yàn)閮蓚?cè)基坑周邊土體沉降的疊加作用導(dǎo)致中間沉降遠(yuǎn)大于C1基坑右側(cè)沉降?；娱_挖過程中，C1基坑坑底土體隆起變形如圖13所示，坑底隆起呈現(xiàn)馬鞍形的形態(tài)，因?yàn)樽髠?cè)F1基坑開挖土體卸荷，C1基坑左側(cè)的隆起量小于右側(cè)，最大隆起量為27.98 mm。

圖11 C1基坑右側(cè)地面沉降變形曲線

圖12 兩基坑中間地面沉降變形曲線

圖13 C1基坑坑底土體隆起變形曲線

3.5 預(yù)制矩形樁水平位移分析

F1基坑開挖完成時預(yù)制矩形樁水平位移如圖14所示，水平位移曲線均呈現(xiàn)外凸型。F1基坑左側(cè)預(yù)制矩形樁最大水平位移為30.20 mm，最大水平位移在坑底以上約0.5 m的位置?；佑覀?cè)預(yù)制矩形樁最大水平位移在坑底附近位置，最大水平位移為29.16 mm。因?yàn)橛覀?cè)C1基坑開挖后土體卸荷，右側(cè)預(yù)制矩形樁最大水平位移小于左側(cè)最大水平位移。C1基坑開挖完成時預(yù)制矩形樁水平位移如圖15所示，水平位移規(guī)律與F1基坑相似。C1基坑左側(cè)預(yù)制矩形樁最大水平位移為36.21 mm，最大水平位移在坑底以下約1 m的位置。C1基坑右側(cè)預(yù)制矩形樁最大水平位移為37.49 mm，最大水平位移在坑底以下約0.5 m位置。由于左側(cè)F1基坑樁頂處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中土質(zhì)較差，而右側(cè)C1基坑樁頂處于粉質(zhì)粘土中土質(zhì)較好，與C1基坑相比，F(xiàn)1基坑預(yù)制矩形樁樁頂位置水平位移接近C1基坑樁頂位置水平位移的兩倍。因?yàn)閮苫宇A(yù)制矩形樁樁底均處于淤泥質(zhì)粘土中，樁底位置水平位移均較大。

圖14 F1基坑預(yù)制矩形樁樁身水平位移

圖15 C1基坑預(yù)制矩形樁樁身水平位移

兩基坑預(yù)制矩形樁水平位移實(shí)測值與模擬值相比，兩者規(guī)律基本相同，實(shí)測值均不同程度大于模擬值，原因在于基坑實(shí)際施工過程中難以做到理論上的對稱挖土以及時空效應(yīng)的影響。

4 結(jié) 論

1)通過對預(yù)制矩形樁樁身受力情況的研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)制矩形樁+預(yù)應(yīng)力魚腹式鋼支撐的體系在上海軟土地區(qū)共同作用效果較好，能夠形成1個整體承受基坑外部水土壓力的作用。

2)基坑開挖的數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測的預(yù)制矩形樁樁身水平位移均滿足規(guī)范要求，基坑開挖過程中安全穩(wěn)定，證明預(yù)制矩形樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在上海地區(qū)對基坑變形控制效果較好，是1種較好的裝配式基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

3)在類似開挖面積大、施工周期長的基坑工程中，采用H型鋼造價較高，預(yù)制矩形樁代替H型鋼更具經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。