緊鄰既有結(jié)構(gòu)的灌注樁施工力學(xué)行為研究

王雅甜，楊春山，黃福杰

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東 廣州 510060)

灌注樁具有施工噪聲小、成樁地層適用性強(qiáng)、承載力高、支護(hù)穩(wěn)定等特點，在各類基坑工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。鄰近既有結(jié)構(gòu)基坑開挖卸荷會產(chǎn)生應(yīng)力擾動，對既有結(jié)構(gòu)正常使用和安全方面產(chǎn)生影響，因此其變形控制至關(guān)重要，有許多學(xué)者開展了相關(guān)的研究。鄭剛、左殿軍、王定軍等[4-6]基于工程案例資料，采用有限元方法，對基坑施工對坑外既有隧道變形影響進(jìn)行了分析；賈夫子、丁智、許四法等[7-9]根據(jù)對鄰近地鐵隧道的基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，對基坑開挖期間近鄰地鐵車站和隧道變形等進(jìn)行分析，總結(jié)基坑開挖期間近鄰地鐵隧道變形的發(fā)展規(guī)律；徐宏增[10]等運(yùn)用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，探討不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式下的基坑開挖對鄰近大直徑污水管線的影響規(guī)律，分析得出管線的位移因近鄰基坑的開挖存在時空效應(yīng)。然而現(xiàn)有研究大多數(shù)只考慮基坑開挖擾動的影響，往往忽視基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。實際上，在鉆孔灌注樁施工過程中，孔壁周圍土體的應(yīng)力場發(fā)生變化，打破了原有的平衡狀態(tài)，若施工控制不當(dāng)，易出現(xiàn)孔縮甚至塌孔的現(xiàn)象，引起鉆孔周圍土體發(fā)生位移，進(jìn)而對鄰近建(構(gòu))筑物產(chǎn)生力學(xué)擾動。

基于上述考慮，以典型工程實例為依托，借助數(shù)值法建立了基坑工程灌注樁施工過程的三維計算模型，探索了樁基施工誘發(fā)的既有結(jié)構(gòu)變形特性，與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，且分析了樁基孔壁的穩(wěn)定性。本文研究得到了一些有益成果，指導(dǎo)了實例實施，也為類似工程提供了借鑒。

1 工程概況

新建珠海至珠海機(jī)場城際鐵路橫琴站位于珠海市橫琴島經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)橫琴口岸西側(cè)，車站周邊環(huán)境較為復(fù)雜，其中1#出入口緊鄰既有市政綜合管廊結(jié)構(gòu)和20kV電纜溝，出入口與既有結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系見圖1。

圖1 出入口與既有結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系

車站出入口基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約11 m，采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)型式，基坑坑壁止水與基底加固采用高壓旋噴樁，鋼板樁支護(hù)為熱軋U型，支護(hù)結(jié)構(gòu)及既有結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)及既有結(jié)構(gòu)的參數(shù)

圖2 既有管廊斷面圖(單位：mm) 圖3 既有電力管斷面圖(單位：mm)

2 三維數(shù)值分析

2.1 計算模型與工程

模型計算區(qū)域的選取充分考慮出入口圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工和開挖引起的邊界效應(yīng)，水平向計算區(qū)域取灌注樁直徑的10倍以上，豎直向取2～4倍以上出入口基坑開挖深度為原則(圖4)。1#出入口計算模型幾何尺寸X、Y、Z方向分別為70 m、48 m、37 m。模型側(cè)向加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面，不加約束。

圖4 計算區(qū)域選取原則

模型建立過程中把圓形截面灌注樁通過剛度等效成方樁，考慮圍護(hù)樁豎向位移會給基坑穩(wěn)定、地表沉降及樁體自身的穩(wěn)定性均帶來影響，因此在剛度等效時不僅要等效側(cè)向抗彎剛度，還要等效豎向抗拉、壓剛度。

抗彎剛度等效公式為

(1)

抗拉、壓剛度等效公式為

(2)

式中E為樁體彈性模量；D為圓樁直徑；b為等效后方樁寬度；h為等效后方樁長度。

模型中根據(jù)等效剛度公式，將圓樁的直徑D等效為寬度b、長度h的方樁，確保等效后支護(hù)結(jié)構(gòu)指向臨空面方向抗彎剛度和豎直向拉壓剛度相同，由此推導(dǎo)出方樁尺寸；方樁寬度b為沿坑壁方向的長度，長度h為垂直于坑壁的厚度。通過計算可得，當(dāng)D=0.8 m時，等效方樁b=0.72 m，h=0.69 m。

模型中土層、灌注樁、旋噴樁、既有電纜溝結(jié)構(gòu)采用三維實體單元，既有綜合管廊主體結(jié)構(gòu)、鋼護(hù)筒采用殼單元模擬，鋼護(hù)筒彈性模量取值2.06×108kPa，每節(jié)段長2 m，壁厚0.6 cm，內(nèi)徑為1 000 mm；灌注樁、旋噴樁和既有電纜溝結(jié)構(gòu)通過修改邊界條件來賦予相應(yīng)的屬性，土體采用理想彈塑性本構(gòu)模型，遵循Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，而相關(guān)結(jié)構(gòu)則采用彈性模型，土層物理力學(xué)參數(shù)采用勘察成果資料(表2)。模型中土層與灌注樁間相對滑移與錯動通過無厚度的界面單元[11-13]模擬。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述模型參數(shù)及建模思路，建立三維整體計算模型和細(xì)部結(jié)構(gòu)模型，詳見圖5。

圖5 三維計算模型

為了分析灌注樁施工過程樁基變形特性及其對既有結(jié)構(gòu)的影響，施工步驟需要充分體現(xiàn)灌注樁和既有結(jié)構(gòu)的形成過程，為此模型計算分為 6個工況：①初始應(yīng)力計算，獲取應(yīng)力，且位移清零；②既有綜合管廊和電纜溝開挖，施作既有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，位移清零；③施作鋼護(hù)筒；④灌注樁開挖成孔+泥漿護(hù)壁；⑤灌注樁水下混凝土澆筑；⑥旋噴樁施工。

圖6 計算值與實測值對比曲線

2.2 模型合理性驗證

為了考察本文計算模型的可靠性，取圖1對比位置灌注樁側(cè)向土層實測位移與計算結(jié)果對比分析，如圖6所示。對比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值計算反映了實際灌注樁側(cè)向水平位移的變形趨勢，與實測值基本一致且數(shù)值上較為接近，吻合度較好，兩者對應(yīng)位置最大相差6%，說明本文計算模型具備有效性。

2.3 計算結(jié)果分析

2.3.1 灌注樁施工引起的總體位移

圖7為灌注樁施工后樁體與既有構(gòu)筑物的總體位移云圖，定義位移指向坐標(biāo)正軸為正，反之為負(fù)。水平向由于鉆孔開挖，應(yīng)力釋放，孔壁向臨空面移動出現(xiàn)指向樁孔的位移，并在淤泥層中側(cè)移最為顯著，最大側(cè)移為6.13 mm(圖7a)；豎向位移出現(xiàn)在灌注樁頂部，最大值為5.52 mm(圖7c)，主要由于灌注樁自重和坑壁側(cè)移引起。結(jié)果表明，總體位移各向的最大值均出現(xiàn)在圍護(hù)樁上，且均小于設(shè)計位移限值，整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 工況6總體位移云圖

2.3.2 灌注樁施工對既有結(jié)構(gòu)的影響

從鄰近既有管廊結(jié)構(gòu)和電纜溝的位移云圖可以看出，管廊結(jié)構(gòu)受到灌注樁施工的影響很小，側(cè)向增量位移最大值為0.79 mm(圖8b)，豎向位移最大值為3.28 mm(圖8c)，而電纜溝結(jié)構(gòu)受灌注樁施工影響較管廊結(jié)構(gòu)大，結(jié)構(gòu)位移最大值為4.89 mm(圖9c)，既有結(jié)構(gòu)的位移均小于設(shè)計和當(dāng)前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[14]的位移預(yù)警值10 mm，結(jié)構(gòu)受力處于整體安全狀態(tài)。

圖8 管廊位移云圖

圖9 電纜溝位移云圖

圖10～11中既有結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力對應(yīng)工況2灌注樁未開始施作前的工況。灌注樁施工后提取的是工況5澆筑灌注樁混凝土工況。

通過工況2、5的應(yīng)力差值來評價既有結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)，可見，灌注樁施工前管廊結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為3.61 MPa，處于局部帶裂隙作用，樁基施工完增加至3.7 MPa，應(yīng)力水平影響很細(xì)微，僅增大3%(圖10)。電纜溝結(jié)構(gòu)雖然應(yīng)力增長相對更明顯，最大增加了257 kPa(圖11)，然而最大應(yīng)力依然小于C20混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值1.1 MPa，未改變結(jié)構(gòu)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)未開裂，處于安全狀況。

圖10 管廊結(jié)構(gòu)受力云圖

圖11 電纜溝結(jié)構(gòu)受力云圖

3 鉆孔灌注樁穩(wěn)定性分析

基于泥漿護(hù)壁機(jī)理可知，鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性取決于泥漿重度γg(min)和最小泥漿重度γg，因此，可將鉆孔穩(wěn)定安全系數(shù)Fs定義為泥漿重度γg與泥漿最小重度γg(min)之間的比值：

(3)

使鉆孔灌注樁孔壁維持彈性狀態(tài)的泥漿最小重度γg(min)采用李林[15]等在飽和黏土中鉆孔灌注樁孔壁穩(wěn)定性力學(xué)機(jī)制研究中建議的公式：

(4)

式中K0為靜止土壓力系數(shù)；γ為土體重度；γw為水重度；θ為應(yīng)力羅德角，由于柱孔屬于平面應(yīng)變問題，因此θ=30°；M為轉(zhuǎn)換應(yīng)力空間平面中CSL線的斜率，其值等于6sinφ′/(3-sinφ′)，φ′為土體有效內(nèi)摩擦角。其中

(5)

(6)

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、現(xiàn)場勘察報告等，鋼護(hù)筒根據(jù)地質(zhì)情況確定長度，嵌入土層深度約為1.5～2m，地面以上長0.5m，灌注樁護(hù)壁泥漿重度取11.5 kN/m3。

將各參數(shù)代入式(4)，計算得到維持鉆孔保持彈性狀態(tài)的泥漿最小重度γg(min)=12.56 kN/m3，實際工程中采用的泥漿重度小于泥漿最小重度，因此，鉆孔在泥漿支護(hù)條件下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)定安全系數(shù)FS根據(jù)式(3)計算得出Fs=0.916，安全系數(shù)小于1，易出現(xiàn)縮孔甚至塌孔現(xiàn)象，對鄰近建(構(gòu))筑物產(chǎn)生力學(xué)擾動。

4 結(jié)束語

(1)灌注樁施工過程中，盡管采用了鋼護(hù)筒和泥漿護(hù)壁，但由于鉆孔開挖，應(yīng)力釋放，依然產(chǎn)生了一定程度的位移；

(2)灌注樁施工對管廊結(jié)構(gòu)影響很小，電纜溝受施工影響較管廊結(jié)構(gòu)大，但位移均小于設(shè)計和規(guī)范的預(yù)警值10mm，既有結(jié)構(gòu)整體處于安全狀態(tài)；

(3)實例鉆孔灌注樁設(shè)計的泥漿重度偏小，施工過程中出現(xiàn)了孔縮和局部塌孔的現(xiàn)象，依據(jù)本文研究，及時調(diào)整了護(hù)壁泥漿重度，為項目順利實施提供了技術(shù)支持；

(4)實際工程中，基坑設(shè)計制定圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)考慮支護(hù)樁施工階段的位移，否則偏于不安全，同時應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，在保證最小泥漿重度的條件下合理選取和控制泥漿性能指標(biāo)。