新建電梯、智能立體車庫施工對周邊擋土墻的影響分析

李 君，呂文龍，溫世聰，沈仁良，范 昊，王 凱

（1、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州 510500；2、廣州大學土木工程學院 廣州 510006）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，土地資源成為當今最緊缺的資源之一，為了高效地利用有限的土地資源，人們開始對原本的閑置用地重新規(guī)劃建設。但這些空地附近往往伴隨有各種既有的建筑、結構，施工必然會對這些建筑、結構造成一定程度的影響。因此，施工前對其周邊建筑、結構等的影響進行分析是必不可少的重要環(huán)節(jié)。國內(nèi)外諸多學者通過大量工程實踐，運用數(shù)值模擬、模型試驗、理論計算等方式，對于施工給周邊建筑、結構造成的影響進行分析，并且已經(jīng)有許多可觀的研究成果［3-10］。

王俊等人［11］針對大面積基坑開挖與高層建筑施工對下臥地鐵隧道的不利影響，提出地鐵隧道與上部建筑“結構分離”的設計思路；曾支明等人［12］以南昌地鐵2 號線南延段市民中心站上方道路施工為實例，采用MIDAS軟件進行三維數(shù)值計算、分析道路施工對既有運營地鐵車站結構變形的影響。張雷等人［13］使用有限元數(shù)值計算，比較分析了新建路浦西段工程中，不同寬度的深基坑施工對臨近建筑物的影響。本文結合廣東省茂名市化州市某項目電梯、智能立體車庫工程，采用單元分析法和有限元整體分析法，研究施工前后和施工過程中對周邊擋土墻造成的影響。

1 工程概況

擬建工程場地現(xiàn)狀為空地，地表略有起伏，項目建設用地面積2 623.16 m2，擋土墻位于擬建智能立體停車庫西南邊，全長約158 m，其中包括A～N段約143 m，O～P 段約15 m，距離擬建智能立體車庫約24～32 m。電梯設置在擋土墻OP 與AB 段交界處。擋土墻、擬建電梯及智能立體車庫等位置關系如圖1所示。西側車庫到擋土墻的最近距離約為23 m。電梯位于AB擋土墻與OP 擋土墻交匯處，電梯井向下開挖1.5 m，設置4根灌注樁。

圖1 工程位置關系Fig.1 Project Location

2 單元分析法

根據(jù)相關工程資料及需求，分成施工前后兩種工況，模擬車庫及電梯井基坑施工對擋土墻的影響，停車庫荷載通過不同深度處樁基的側摩阻力模擬。荷載計算到坡/坑底，計算深度為11 m，分段計算荷載施加，選取荷載最不利鉆孔，其中0～1.6 m 為粉質(zhì)黏土，其下為砂質(zhì)黏土，模型土體參數(shù)如表1所示，荷載選取計算結果如表2所示。

表1 模型土體相關參數(shù)Tab.1 Model Soil-related Parameters

表2 荷載選取計算結果Tab.2 Load Selection Computing Results

由表1 計算結果可知，東側車庫計算所得荷載較大，取其作為實際施加在模型上的荷載。

2.1 智能立體車庫施工對AB、CD段擋土墻影響分析

2.1.1 計算模型建立

采用理正深基坑軟件建立力學模型進行計算分析。AB 段擋土墻共有3 層土層，第一層為厚10.70 m的粘性土，第二層為厚8.00 m 的粘性土，第三層為強風化花崗巖；基坑深度為11.00 m，排樁直徑為1.20 m，間距為3.00 m，嵌固深度為9.00 m；錨索為2束1×17.8 mm鋼絞線，極限抗拉強度標準值為1 720 MPa，第一道錨索距離坡頂2.00 m，自由段為9.00 m，錨固段為12.50 m。第二道錨索距離坡頂5.00 m，自由段為7.00 m，錨固段為12.50 m。第三道錨索距離坡頂8.00 m，自由段為5.50 m，錨固段為10.50 m。錨索橫向和豎向間距均為3 m；地下水位設在距離坡頂12.00 m 處，施工后擋土墻計算模型如圖2 所示（施工前模型僅荷載與其不同），荷載施加如表3所示。

圖2 施工后AB段擋土墻計算模型Fig.2 Calculation Model of Retaining Wall after AB Section Construction （cm）

表3 AB段施工前后荷載施加方式Tab.3 Load Application before and after Construction in Section AB

CD段擋土墻模型共有3層土層，第一層為14.12 m厚的粘性土，第二層為9.40 m厚的粘性土，第三層為強風化花崗巖，其他數(shù)據(jù)與AB段相類似，在此不再贅述。

2.1.2 計算結果

智能立體車庫的施工對AB 段、CD 段擋土墻影響分析計算結果如表4所示。

表4 智能立體車庫的施工對AB段、CD段擋土墻影響分析計算結果Tab.4 Analysis and Calculation Results of the Influence of the Construction of the Intelligent Three-dimensional Garage on the Retaining Walls of the AB and CD Sections

經(jīng)對比，AB段與CD段抗隆起安全系數(shù)略有減小，但仍滿足文獻［1］要求，其余位移及各項安全系數(shù)等指標無變化，車庫新增荷載不影響擋土墻結構安全。

2.2 電梯井基坑施工對AB、OP段擋土墻影響分析

2.2.1 計算模型建立

電梯井基坑施工的AB、OP段模型信息，除在坡底加挖1.5 m 電梯井基坑及在電梯井坑頂增加支撐外，其余設計參數(shù)與上文中智能立體車庫施工AB 段參數(shù)完全相同，支撐剛度為200 MN/m。頂面施加5 kN/m2的荷載，支護模型如圖3所示。

圖3 設電梯井擋土墻加撐支護模型Fig.3 Bracing Model of Retaining Wall with Elevator Shaft （m）

2.2.2 結算結果

電梯井基坑的施工對AB 段、OP 段擋土墻影響分析計算結果如表5所示。

從表5計算結果可以看到，考慮加設1.5 m電梯井基坑后，OP 段與通過加撐設置后的AB 段位移及各項安全系數(shù)指標均滿足基坑文獻［2］要求。電梯井基坑挖開不影響AB段及OP段擋土墻結構安全。

表5 電梯井基坑的施工對AB段、OP段擋土墻影響分析計算結果Tab.5 Analysis and Calculation Results of the Influence of the Construction of the Elevator Shaft Foundation Pit on the Retaining Walls of the AB Section and OP Section

3 有限元整體分析法

3.1 有限元模型

根據(jù)停車場周圍的土體結構以及設立的擋土墻之間的空間立體關系以及工程施工特點，使用MIDAS/GTS 軟件建立三維有限元模型。模型中停車場的支護情況以及上部荷載的施加情況的工況示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 開挖面及擋土墻三維網(wǎng)格Fig.4 3D Grid of Excavation Surface and Retaining Wall

圖5 錨索及樁的布置Fig.5 Layout of the Anchor Cable and the Pile

三維有限元計算模型的邊界條件為模型底部全約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。計算中不同的材料采用不同的本構模型，將模型中的土體視為彈塑性體，采用摩爾-庫倫模型，采用實體單元模擬；擋土墻結構及錨索結構均采用各向同性彈性模型。各地層參數(shù)按照地勘報告給出的數(shù)據(jù)選取。停車場與電梯井每根樁設定1 000 kN 集中力，基礎面設立10 kN/m2的活荷載。電梯井向下開挖1.5 m，具體參數(shù)取值如表6所示。

表6 材料參數(shù)取值Tab.6 Values of Material Parameters

3.2 有限元模型的計算結果

3.2.1 擋土墻水平位移

有限元整體分析位移結果表明：擋土墻結構的X向最大位移為14.2 mm，Y向最大位移為12.5 mm，均小于文獻［1］要求的30 mm，計算結果如圖6所示。

圖6 擋土墻結構位移Fig.6 Displacement of the Retaining Wall Structure（mm）

3.2.2 錨索軸力

如表7所示，AB段擋土墻錨索拉力最大值出現(xiàn)在第一道錨索，為229 kN，CD 段擋土墻錨索拉力最大值出現(xiàn)在第三道錨索，為234 kN，OP 段擋土墻錨索拉力最大值出現(xiàn)在第一道錨索，為248 kN，AB、CD 段擋土墻及OP段擋土墻錨索云圖如圖7所示。

表7 錨索軸力Tab.7 Anchor Cable Axial Force （kN）

圖7 擋土墻錨索軸力Fig.7 Axial Force of Retaining Wall Anchor Cable（N）

由以上計算可知，增設停車庫后及開挖電梯井基坑后，擋土墻錨索的安全系數(shù)有微小變化，但變化幅度在5%以內(nèi)，可以認為不影響擋土墻錨索的安全。

3.2.3 擋土墻承載力

表8 為AB、CD 段及OP 段擋土墻內(nèi)力最大值及配筋復核結果。AB、CD段擋土墻及OP段擋土墻的應力云圖如圖8、圖9所示。

表8 擋土墻內(nèi)力最大值及配筋復核結果Tab.8 Maximum Internal Force of Retaining Wall and Recheck Result of Reinforcement

圖8 擋土墻結構的正應力Fig.8 Normal Stress of Retaining Wall Structure（N/mm2）

圖9 擋土墻結構的剪應力Fig.9 Shear Stress of Retaining Wall Structure（N/mm2）

由以上計算可知，增設停車庫后及開挖電梯井基坑后，擋土墻計算配筋小于實際配筋，擋土墻承載力滿足文獻［1］要求。

4 結論

綜合施工場地的工程地質(zhì)、支護結構資料，依據(jù)所開展的系列單元分析以及有限元整體分析結果，得到如下結論：

⑴單元分析結果表明，新增停車庫荷載后，AB段、CD 段擋土墻的抗隆起安全系數(shù)略有減小，但仍滿足文獻［1］要求，其余位移及各項安全系數(shù)等指標無變化，新增停車庫荷載不影響AB 段、CD 段擋土墻結構的安全。

⑵單元分析結果表明，在電梯井基坑頂加設支撐后，AB 段及OP 段擋土墻的位移及各項安全系數(shù)指標均滿足基坑文獻［2］要求，電梯井基坑挖開不影響AB段及OP段擋土墻結構安全。

⑶有限元整體分析結果表明，新增停車庫荷載及開挖電梯井基坑后，擋土墻結構的最大水平位移為14.2 mm，小于文獻［1］限值30 mm，滿足要求；擋土墻錨索安全系數(shù)變化極小，在5%以內(nèi)；擋土墻承載力滿足文獻［1］要求。新增停車庫荷載及開挖電梯井基坑不影響AB段、CD段及OP段擋土墻結構安全。