大跨度深基坑內(nèi)支撐支護(hù)施工研究

摘要：通過MIDAS有限元分析軟件探討了基坑施工時地表沉降、基坑隆起以及圍護(hù)樁變形的規(guī)律，并針對圍護(hù)樁樁徑參數(shù)對變形的影響做出進(jìn)一步的研究?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：隨著不斷開挖的基坑深度，周圍地表表現(xiàn)出“U”型的變化規(guī)律，基坑坑底有不斷增加的隆起，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形也在不斷增加，且樁徑的增加能夠提高其自身承載力和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;基坑支護(hù);變形分析;鋼筋混凝土

0" "引言

基坑工程開挖深度的不斷加深，使其需面對的施工條件也越來越復(fù)雜多樣，這對于基坑項目的施工提出了較大挑戰(zhàn)[1]。當(dāng)前，已有較多關(guān)于深基坑的研究，如國內(nèi)黃華等人通過有限元模擬軟件，分析了深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)[2]。楊歡歡等人對圍護(hù)墻的變形和土體溫度間的聯(lián)系進(jìn)行了研究[3]。牛恒達(dá)則基于MSD法探討了圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面沉降的聯(lián)系[4]。國外學(xué)者Benmebarek通過有限元建模的方式，探討了深基坑項目的建設(shè)流程[5]。Grabe J對樁錨打樁進(jìn)行了模擬，探討了墻體的應(yīng)力分布情況[6]。

基坑工程是巖土類研究中難度較高課題之一[7]，基坑工程中有較多的基坑支護(hù)方式，不同方法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，需綜合各種條件進(jìn)行考慮，基坑支護(hù)是否合理對施工的安全性及工程質(zhì)量有著較大影響，因此對基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工開展進(jìn)一步的研究非常有必要。

1" "鋼筋混凝土內(nèi)支撐施工

1.1" "施工要點(diǎn)

1.1.1" "土方開挖

施工時按照遠(yuǎn)到近的方式先進(jìn)行支護(hù)后開挖。若基坑中的支撐數(shù)目較多，應(yīng)基于支撐層數(shù)分層進(jìn)行開挖。每層開挖時，按照基坑深度和施工機(jī)械伸展性能決定如何分層。必須確保混凝土強(qiáng)度滿足要求后，再進(jìn)行下一層土體的開挖。

此外，開挖基坑時必須確?；咏邓疂M足要求，一般情況下可按照地下水程度設(shè)置降水井。為避免支撐梁被車輛壓壞，需將50cm以上的土覆蓋到支撐梁上部位置，以進(jìn)行保護(hù)。開挖基坑時，還需要做好支撐柱和護(hù)臂支撐點(diǎn)鑿毛工作。

1.1.2" "護(hù)壁施工

施工前需做好圍檁梁連接位置的鑿毛工作，以確保連接時具有一定的可靠性。不同的支撐點(diǎn)位置護(hù)壁施工的方案也有所不同，若在頂部設(shè)置支撐點(diǎn)，則應(yīng)先將鋼筋預(yù)留在頂部位置。若支撐點(diǎn)在某一標(biāo)高之上，也需要將多出鋼筋拉直。

1.1.3" "支撐梁施工

應(yīng)基于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土灌注和養(yǎng)護(hù)等施工?？赏ㄟ^將適量早強(qiáng)劑添加到混凝土中的方式節(jié)省施工時間，但必須確保上層混凝土強(qiáng)度滿足要求后再開挖下層土體。為確保拆除后期支護(hù)結(jié)構(gòu)更為方便，應(yīng)在澆筑混凝土前將爆破孔預(yù)留好。為確保施工安全，應(yīng)將焊接桿件預(yù)留到兩側(cè)支撐梁上。為確保支撐體系穩(wěn)定，應(yīng)做好鋼筋混凝土支撐梁及圍檁同步澆筑。若對支撐梁起拱高度有一定的要求，則應(yīng)遵照設(shè)計規(guī)范設(shè)計。

1.2" "施工特點(diǎn)

大跨度鋼筋混凝土內(nèi)支撐梁通過機(jī)械化施工，雖然需要一次性投入較高的資金，但具有較好的整體穩(wěn)定性，能夠極大程度提高施工效率。以混凝土為支撐材料，能夠在一定程度上確?；又苓呁馏w的穩(wěn)定性，保障基坑內(nèi)支護(hù)的穩(wěn)定性。同時內(nèi)支撐所需的施工空間也較大。

在大型深基坑支護(hù)中，鋼筋混凝土支撐作為最為常見的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)為變形較小。水平受壓是鋼筋混凝土支撐的主要受力方式，隨著不斷加大的開挖深度，擋土結(jié)構(gòu)的水平壓力也在不斷增大，從而確保鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)的材料特性能夠得到有效的發(fā)揮。

若將鋼筋和支撐截面增大，則即可使鋼筋混凝土支撐強(qiáng)度得到提升，也能確保地下施工的安全。施工鋼筋混凝土支撐不受場地所約束，能夠保障施工順利進(jìn)行。若場地允許，還可將臨時施工便道搭設(shè)到施工平臺上。以鋼筋混凝土內(nèi)支撐的方式進(jìn)行設(shè)置，能夠在一定程度上將施工周期縮短，因其內(nèi)支撐形式內(nèi)部空間較大，能夠同時進(jìn)行多臺機(jī)械的施工。

2" "工程概況

某鋼筋混凝土薄壁結(jié)構(gòu)采用筏板基礎(chǔ)，并設(shè)有抗拔樁，由于不均勻的地基沉降對其產(chǎn)生較大影響。從現(xiàn)場調(diào)研報告可知，施工場地為堆土區(qū)，自開挖完上部土方之后，周邊地面約有28～33m的自然標(biāo)高，基坑底板約有9.5～13m的標(biāo)高，實際上基坑有15～23m的開挖深度。以I級的等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行基坑施工。使用灌注樁和三層鋼筋混凝土支撐的方式進(jìn)行基坑兩側(cè)的支護(hù)，為保護(hù)樁間土，在較厚填土區(qū)域設(shè)置有高壓鉆噴樁。基坑施工分塊圖1所示。

在進(jìn)行第一道支撐梁底膜施工時，以設(shè)計標(biāo)高為準(zhǔn)開鑿圍護(hù)樁頂。通過素土夯實、上部貼塑料薄膜，一側(cè)用圍護(hù)體加固、一側(cè)用木質(zhì)模塊加固的方式，加固第二和第三道支撐腰梁的底模。施工時，為確保能夠有效銜接圍檁和圍護(hù)體，需通過鑿毛的方式處理兩者的接觸面，并采用清水進(jìn)行清理。基于場地地質(zhì)條件，選擇以旋挖成孔的方式施工鉆孔樁，具體流程如圖2所示。

3" "基坑施工及監(jiān)測

該基坑項目約有15～23m的開挖深度，以一級的安全等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的建設(shè)。

3.1" "支撐施工

3.1.1" "第一道支撐

施工前，先在已經(jīng)完成平整的場地運(yùn)送好第一道支撐梁鋼筋，再按照相關(guān)規(guī)定放置并綁扎好第一道支撐。通過木模以及斜撐等支護(hù)好已完成綁扎的鋼筋籠，以確保在澆筑混凝土?xí)r不會有漏漿等現(xiàn)象出現(xiàn)。在保證完成上一步驟之后，通過大型吊運(yùn)車將混凝土攪拌車吊運(yùn)到位，澆筑已完成支護(hù)的模具，澆筑完支模后再對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。當(dāng)混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計強(qiáng)度要求后，即可將原有模具進(jìn)行拆除。

3.1.2" "第二道支撐

先進(jìn)行第二層土體開挖。為縮短施工工期，在開挖區(qū)域同時使用多臺機(jī)械進(jìn)行施工。施工到設(shè)計標(biāo)高之后，進(jìn)行殘留土體的整平并施工支撐墊層。在完成上一道施工工序之后，重新采用木模等進(jìn)行支護(hù)，以保證在澆筑混凝土?xí)r不會有漏漿等情況出現(xiàn)。在完成上述施工后即可進(jìn)行模板澆筑和養(yǎng)護(hù)施工。

3.1.3" "第三道支撐

同理，當(dāng)?shù)诙又蔚幕炷翉?qiáng)度滿足要求后，即可通過挖掘機(jī)開挖第三層土體。在澆筑完三層支撐后需開展清理工作。

3.2" "有限元模型建立

該基坑項目最長邊長度241.05m，最短邊尺寸長度88m，為盡量避免模型尺寸對結(jié)果造成影響，在建模時以大于2倍的開挖深度作為模型的縱向尺寸，以3～5倍的開挖深度作為模型的橫向尺寸[8]，以432m×280m×50m作為建模尺寸。

項目圍護(hù)體系使用的鉆孔灌注樁， 直徑為1.2m，間距為5.5m。模型中以3m作為開挖土體網(wǎng)格單元，以5m作為外圍土體網(wǎng)格單元，以5m控制模型邊界尺寸，使用六面體混合網(wǎng)格作為網(wǎng)格劃分器?；尤S模型圖3所示。

3.3" "監(jiān)測結(jié)果分析

限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。在基坑周圍的地表沉降中，地表在1m的基坑開挖深度時約有14.8816mm的沉降，在6.6m的開挖深度時約有15.8235mm的沉降，在11.6m的開挖深度時有17.1045mm的沉降。在進(jìn)行最后一層土體的開挖時，因為有10.5m的較大開挖深度，為確保施工安全轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱娱_挖。從圖4所示結(jié)果可以看出，此時的土體約有17.4007mm的沉降。

地表沉降保持在規(guī)范值內(nèi)，說明模型具有合理性。在開挖基坑時，基坑坑底隆起不斷增加，因圍護(hù)墻深度較大且相比于土體有更大的剛度，導(dǎo)致基坑坑底土體被不斷擠壓，最終呈現(xiàn)出“中間大，周圍小”的規(guī)律，基坑坑底的中部位置分布著最大的基坑隆起值。

在圍護(hù)墻變形中，灌注樁的水平位移隨著不斷增加的開挖深度表現(xiàn)出線性增大規(guī)律。圍護(hù)墻在第一層土體開挖時有4.68mm的變形值，之后的圍護(hù)墻位移隨著不斷開挖的土體不斷增加，整體上的變形規(guī)律表現(xiàn)為中間大上下小。

從模擬結(jié)果可以看出，在第三道橫向支撐中最大內(nèi)支撐橫向軸向壓力為2914kN，相同位置的第一道支撐的軸力為78.2kN，第二道支撐的支撐軸力為1130kN。相比于支撐桿件承載力的最大值，內(nèi)支撐的各個桿件具有較大的軸力，且變形也較小?？傮w上看，內(nèi)支撐構(gòu)件布置方式合理，能夠確保整個支護(hù)體系保護(hù)效果良好。

對于灌注樁的剛度而言，樁徑大小對其有起著決定性作用。本文在控制其他參數(shù)不變的前提下，僅對灌注樁樁徑做出改變。在原有1200mm樁徑基礎(chǔ)之上，增加1000mm和1400mm樁徑作為對照組。從結(jié)果可以看出，圍護(hù)墻水平位移最大值在樁徑上升到1200mm時地表沉降有顯著降低，約從91.73mm降低到82.06mm。由此看出，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)而言，提高灌注樁直徑對其有較大影響，除了能使圍護(hù)樁自身承載力有所增加之外，還會使其穩(wěn)定性有所增大。圍護(hù)樁變形值在樁基從1200mm上升至1400mm時，地表沉降從82.06mm降低為73.22mm，對于基坑的安全性有較大提升。

4" "結(jié)語

本文結(jié)合具體工程項目，通過MIDAS有限元分析軟件探討了基坑施工時地表沉降、基坑隆起以及圍護(hù)樁變形的規(guī)律，并針對圍護(hù)樁樁徑參數(shù)對變形的影響做出進(jìn)一步的研究?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：

在大跨度深基坑中，采用內(nèi)支撐的方式進(jìn)行支護(hù)是可行的?；油鈬乇淼某两惦S著不斷土體的不斷開挖表現(xiàn)不斷增大的規(guī)律，從整體上看，其沉降規(guī)律表現(xiàn)為“U”型，對于基坑變形而言，圍護(hù)樁樁徑對其有較大影響。

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，樁身和樁底有較大的水平位移，因此要盡可能降低第二道和第三道支撐深度。隨著不斷開挖的基坑，基坑隆起也不斷增加，施工時應(yīng)加強(qiáng)對其的監(jiān)測，以避免出現(xiàn)安全事故。

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