復(fù)雜環(huán)境下環(huán)形支撐系統(tǒng)的應(yīng)用分析

林樹(shù)周

（廣東中煤江南工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州 510440）

0 引言

城市中心建筑物密集，地下管線多且分布復(fù)雜，在這種情況下進(jìn)行基坑開(kāi)挖就需要面臨周邊環(huán)境要求嚴(yán)格的問(wèn)題，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中需嚴(yán)格控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形以保證周邊建筑物及地下管線的安全。此外，由于城市用地緊張，新建的地下停車庫(kù)應(yīng)盡可能的利用建設(shè)用地才能使車位數(shù)量滿足要求，這也就導(dǎo)致了基坑更加靠近周邊建筑物，場(chǎng)地內(nèi)施工空間狹小，沒(méi)有足夠的場(chǎng)地可作為材料堆場(chǎng)及加工場(chǎng)，基坑開(kāi)挖過(guò)程中出土非常困難。

在這種復(fù)雜環(huán)境中的深基坑通常采用支護(hù)結(jié)構(gòu)+內(nèi)支撐+止水帷幕的支護(hù)型式，以達(dá)到控制變形，隔絕地下水的目標(biāo)。內(nèi)支撐的布置形式通常有角撐、對(duì)撐、桁架撐及斜拋撐等［1-2］，這些常規(guī)的布撐型式雖然傳力明確，但是存在支撐量大，空間上遮擋范圍大，出土困難，造價(jià)高等缺點(diǎn)。為解決這些缺點(diǎn)，環(huán)形支撐系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，且經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐證明，環(huán)形支撐在基坑開(kāi)挖和主體結(jié)構(gòu)施工期間均是安全的［3］。環(huán)形支撐通過(guò)“拱效應(yīng)”能將水平荷載轉(zhuǎn)化成環(huán)形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的軸向受壓荷載，受力合理，充分發(fā)揮了混凝土的抗壓性能［4-6］，特別在異形基坑支護(hù)中發(fā)揮了較大優(yōu)勢(shì)，可減少工期，節(jié)約造價(jià)［7-8］，此外，由于圓環(huán)中部提供了開(kāi)闊的挖土空間，可以大大縮短土方開(kāi)挖工期［9］。

環(huán)形支撐系統(tǒng)遵循“對(duì)稱、分段、分層”的開(kāi)挖原則［10-11］，底板與每層樓板沒(méi)封閉之前，不得分區(qū)拆撐［12］，如果不均衡開(kāi)挖將會(huì)使整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量增大［13］。設(shè)計(jì)環(huán)形支撐系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意在支撐環(huán)梁、冠梁和支撐梁相交節(jié)點(diǎn)處加強(qiáng)，因?yàn)橄嘟还?jié)點(diǎn)處存在應(yīng)力集中［14］。

1 工程設(shè)計(jì)及地層

1.1 工程設(shè)計(jì)

擬建工程位于廣東省廣州市白云區(qū)齊富路南側(cè)，齊富大酒店?yáng)|側(cè)，聯(lián)富大廈西側(cè)，項(xiàng)目占地面積16 213m2，總建筑面積71 329m2，擬建寫字樓3 座及公共服務(wù)中心一座，整個(gè)地塊下部設(shè)置二層地下室，基坑周長(zhǎng)約523m，考慮底板、墊層，基坑開(kāi)挖深度9.55m，基坑安全等級(jí)整體為一級(jí)。

基坑?xùn)|側(cè)地下室邊線外約5.0m 為用地紅線，距離地下室邊線約6.0m處為9層聯(lián)富大廈，樁基礎(chǔ)，無(wú)地下室；基坑南側(cè)地下室邊線外2.6～9.5m 為用地紅線，距離地下室邊線約4.7m 為2～4 層建筑，天然基礎(chǔ)；基坑西側(cè)地下室邊線外4.8～12.3m 為用地紅線，地下室邊線外約8.5m為2～5層建筑，天然基礎(chǔ)；基坑北側(cè)地下室邊線外3.0～6.0m 為用地紅線，地下室邊線外約8.6m 為9 層齊富大酒店，樁基礎(chǔ)，無(wú)地下室?；颖眰?cè)有規(guī)劃地鐵十二號(hào)線區(qū)間隧道，地下室邊線距離區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最近約為17.2m，根據(jù)施工節(jié)點(diǎn)，本項(xiàng)目基坑施工期間地鐵區(qū)間隧道未開(kāi)始施工。

1.2 地層

場(chǎng)地內(nèi)巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanicalparameters of rock and soil

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

針對(duì)本項(xiàng)目的特點(diǎn)，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)整體采用直徑1m 的灌注樁+砼內(nèi)支撐的支護(hù)方案，采用直徑850mm的三軸攪拌樁搭接作為樁間擋土止水帷幕。

為解決土方開(kāi)挖、轉(zhuǎn)運(yùn)困難的問(wèn)題，內(nèi)支撐布置采用環(huán)形支撐的形式，根據(jù)基坑的形狀設(shè)置了兩個(gè)環(huán)形支撐，大環(huán)直徑90m，小環(huán)直徑56.2m，環(huán)形支撐中間形成了開(kāi)闊的空間，大大提高了土方開(kāi)挖、轉(zhuǎn)運(yùn)的效率，保證項(xiàng)目進(jìn)度能滿足工期的要求。

考慮到項(xiàng)目場(chǎng)地狹小，沒(méi)有空間可以布置材料堆場(chǎng)，地下室主體結(jié)構(gòu)施工期間材料進(jìn)場(chǎng)非常困難，同時(shí)也考慮到兩個(gè)環(huán)形支撐之間傳力的可靠性，因此在兩個(gè)圓環(huán)之間設(shè)置了三道對(duì)撐，同時(shí)對(duì)撐之間設(shè)置300mm厚的鋼筋混凝土板。對(duì)撐之間設(shè)置鋼筋混凝土板一方面可以使兩個(gè)圓環(huán)傳力更為均勻，另一方面也可以作為地下室主體結(jié)構(gòu)施工期間的臨時(shí)材料堆場(chǎng)，大大方便了施工。且對(duì)撐設(shè)置在基坑陽(yáng)角位置，可大大提高陽(yáng)角位置的穩(wěn)定性。

基坑支護(hù)平面布置圖及典型剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 基坑支護(hù)平面布置Figure 1 Layout plan of foundation pit support

圖2 典型剖面Figure 2 Typical profile

3 數(shù)值模擬分析

數(shù)值分析采用Midas GTS NX 通用有限元軟件。巖土層采用3D 實(shí)體單元建模，本構(gòu)關(guān)系為德魯克-普拉格，支護(hù)結(jié)構(gòu)、砼內(nèi)支撐、混凝土、立柱結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系為線彈性。左右前后及底面邊界為法向上的平動(dòng)約束，模型上表面為自由邊界面。

本次分析對(duì)于灌注樁采用等效剛度代換原則，將圓形灌注樁等效為矩形地下連續(xù)墻進(jìn)行模擬，等效后的地下連續(xù)墻采用2D 板單元建模。設(shè)計(jì)采用直徑1 000mm 間距1 200mm 的灌注樁，等效后地下連續(xù)墻的厚度為0.79m。設(shè)計(jì)方案中對(duì)撐之間的鋼筋混凝土板限載20kPa，因此分析過(guò)程中在施工對(duì)撐和鋼筋混凝土板工況下，在板上設(shè)置20kPa超載。

4 數(shù)值分析與監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.1 樁身變形

數(shù)值分析結(jié)果顯示，基坑開(kāi)挖到底后支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形值為9.7mm，位于基坑北側(cè)環(huán)梁與冠梁相切的位置。

分析結(jié)果最大變形處對(duì)應(yīng)實(shí)際樁身深層水平位移監(jiān)測(cè)CX22 點(diǎn)。CX22 點(diǎn)為深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在樁身預(yù)埋測(cè)斜管，采用測(cè)斜儀測(cè)出樁身變形?；娱_(kāi)挖到底時(shí)，該點(diǎn)處樁身深層水平位移Midas GTS NX 分析結(jié)果和CX22 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

圖3 樁身變形結(jié)果對(duì)比Figure 3 Comparison of pile deformation results

通過(guò)對(duì)比結(jié)果可知，分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形均位于樁頂部，變形隨著樁身埋深加深而逐漸減小。環(huán)形支撐下樁身變形規(guī)律與常規(guī)對(duì)撐或角撐下樁身的變形規(guī)律有所不同，一般常規(guī)支撐下，當(dāng)內(nèi)支撐設(shè)置再樁頂冠梁處時(shí)，樁頂?shù)淖冃味疾皇亲畲?，在開(kāi)挖范圍內(nèi)，一般是樁頂和基坑底的位移比較小，而最大變形位于開(kāi)挖范圍中部。

4.2 環(huán)形支撐梁內(nèi)力

環(huán)形支撐梁的軸力如圖4所示。

圖4 環(huán)形支撐梁軸力Figure 4 Axial force of circular support beam

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可知，環(huán)形支撐梁全截面受壓，最大軸向壓力為4 365kN，最小軸向壓力為55kN（軸力正值為受拉，負(fù)值為受壓，下同）。這說(shuō)明采用環(huán)形支撐能更好的利用混凝土的抗壓能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，減小配筋率，節(jié)省造價(jià)。

設(shè)計(jì)方案大環(huán)梁截面尺寸為2 000mm×1 500mm，小環(huán)梁截面尺寸為1 500mm×1 200mm，均采用C30混凝土，則在不考慮配筋的情況下，計(jì)算可得大環(huán)梁的截面抗壓承載力設(shè)計(jì)值為42 900kN，小環(huán)梁的截面抗壓承載力設(shè)計(jì)值為25 740kN，該承載力設(shè)計(jì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所受軸向壓力。

4.3 對(duì)撐立柱及鋼筋混凝土板

立柱樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為樁徑1 200mm的嵌巖樁，樁底進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r以下1m終孔，樁底沉渣厚度按建筑樁基技術(shù)規(guī)范要求不大于50mm。三道對(duì)撐之間設(shè)置了300mm厚的鋼筋混凝土板，可作為臨時(shí)材料轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，要求超載不大于20kPa。為了分析板上堆載和不堆載對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的影響，本次數(shù)值分析分兩種情況進(jìn)行模擬，一種是按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)阡摻罨炷涟迳霞映d20kPa，另一種是板上不加超載。兩種情況下立柱的沉降、支撐軸力、環(huán)形支撐軸力如圖5至圖7所示。

圖5 有無(wú)超載對(duì)立柱沉降的影響Figure 5 Influence of overload on column settlement

由圖5 可知，板上超載20kPa 時(shí)立柱最大沉降為-1.82mm（負(fù)值表示下沉，下同），根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，立柱最大沉降為-3.49mm，兩者相差1.67mm，考慮到實(shí)際施工時(shí)樁底均有少量沉渣會(huì)影響樁基沉降，則可以認(rèn)為數(shù)值分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果時(shí)一致的。而當(dāng)板上超載為20kPa和無(wú)超載的情況下，立柱的最大沉降分別為-1.82mm 和-0.76mm。由此可知，當(dāng)立柱樁基礎(chǔ)為嵌巖樁時(shí)，板上加載20kPa產(chǎn)生的立柱附加沉降值為1.06mm，沉降較小，基本沒(méi)有影響。

由圖6 可知，當(dāng)板上加載20kPa 時(shí)，對(duì)撐軸力為-1 124.5～+29.5kN，當(dāng)板上無(wú)超載時(shí)，對(duì)撐軸力為-1 106.7～+38.3kN。即加載20kPa之后，壓力最大值增加了17.8kN，拉力最大值減少了8.8kN，增減幅度非常小。由此可知，當(dāng)立柱樁基礎(chǔ)為嵌巖樁時(shí)，板上加載20kPa對(duì)于對(duì)撐的軸力影響較小。

圖6 有無(wú)超載對(duì)支撐軸力的影響Figure 6 Influence of overload on supporting axial force

由圖7 可知，當(dāng)板上加載20kPa 時(shí)，環(huán)形支撐的軸力為-4 365.1～-55.5kN，當(dāng)板上無(wú)超載時(shí)，環(huán)形支撐的軸力為-4 363.9～-64.5kN。即加載20kPa之后，壓力最大值增加了1.2kN，壓力最小值減少了9.0kN，幾乎沒(méi)有變化。由此可知，當(dāng)立柱樁基礎(chǔ)為嵌巖樁時(shí)，板上加載20kPa 會(huì)使環(huán)形支撐軸力更趨于不均勻，但變化幅度極小，可認(rèn)為對(duì)環(huán)形支撐軸力無(wú)影響。

圖7 有無(wú)超載對(duì)環(huán)形支撐軸力的影響Figure 7 Influence of overload on the axial force of circular support

5 結(jié)論

1）從樁身變形方面看，數(shù)值分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，表明環(huán)形支撐梁通過(guò)自身的“拱效應(yīng)”將輻射支撐傳過(guò)來(lái)的力轉(zhuǎn)化為內(nèi)在軸力，充分利用了混凝土抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可為輻射支撐提供可靠的支點(diǎn)。但是環(huán)形支撐下樁身的變形曲線和常規(guī)支撐下的樁身變形規(guī)律不同，其最大變形位于設(shè)置支撐的位置，這表明環(huán)形支撐梁提供的支撐支點(diǎn)效應(yīng)沒(méi)有常規(guī)支撐那么強(qiáng)，這點(diǎn)在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)引起重視。

2）從環(huán)形支撐的內(nèi)力方面看，環(huán)形支撐實(shí)際所受的軸向壓力遠(yuǎn)小于其承載力設(shè)計(jì)值，可以適當(dāng)優(yōu)化。但考慮到其支點(diǎn)效應(yīng)較常規(guī)支撐弱，所以不能僅根據(jù)受力結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。即應(yīng)在保證環(huán)形支撐梁具有足夠剛度的情況下，結(jié)合受力情況進(jìn)行環(huán)形支撐梁的截面尺寸設(shè)計(jì)。

3）通過(guò)數(shù)值分析，從立柱沉降、對(duì)撐軸力和環(huán)形支撐梁內(nèi)力三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比可知，當(dāng)立柱樁基礎(chǔ)為嵌巖樁時(shí)，在對(duì)撐間設(shè)置鋼筋混凝土板作為施工期間的材料臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)，這對(duì)整個(gè)支撐系統(tǒng)變形和內(nèi)力影響非常小。即適當(dāng)?shù)睦脤?duì)撐梁部分的空間作為材料臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)是可行的，這將極大的方便施工，提高施工效率，這點(diǎn)可為類似工程提供參考。