懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用

摘要：以咸寧中心醫(yī)院新建感染病區(qū)隔離病房大樓項(xiàng)目為依托，針對“懸臂支護(hù)樁+冠梁+樁間高壓旋噴樁止水帷幕”懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)在本項(xiàng)目中的具體應(yīng)用，利用Midas/GTS NX軟件建立基坑開挖有限元模型，并結(jié)合現(xiàn)場基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明：坑內(nèi)土體開挖不僅會(huì)造成邊坡土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)產(chǎn)生水平位移，還會(huì)引起邊坡土體及周邊建筑發(fā)生沉降、坑底發(fā)生隆起；懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要受負(fù)彎矩作用，且不規(guī)則形狀基坑在轉(zhuǎn)角處支護(hù)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)彎矩集中現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：有限元模型；基坑監(jiān)測；懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)；深基坑支護(hù)工程

0" "引言

高層建筑一般都配有地下停車場、地下室、地下商圈、人防工程等地下結(jié)構(gòu)，為保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性，高層建筑一般選用深基礎(chǔ)。保證深基礎(chǔ)、土方開挖及地下結(jié)構(gòu)等施工安全，首先就需要確保深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式多樣，技術(shù)成熟，安全可靠，且能提供較大作業(yè)空間，在深基坑支護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)已有多位專家學(xué)者對懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑工程中的應(yīng)用展開了研究，并取得了一定成果。黃雪峰等[1]通過現(xiàn)場動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的方法，研究不同開挖工況下懸臂樁的受力性狀及內(nèi)力傳遞特征。付雋蒼[2]等通過理論分析及現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，研究分析預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁施工技術(shù)在深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用。姬建華等[3]通過理論分析及工程實(shí)踐等方式，研究預(yù)應(yīng)力懸臂樁技術(shù)在復(fù)雜條件下超大深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用。楊子泉等[4]通過軟件建模及基坑變形監(jiān)測，分析懸臂排樁復(fù)合支護(hù)方案在深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用等。

本文以咸寧中心醫(yī)院新建感染病區(qū)隔離病房大樓項(xiàng)目為依托，針對“懸臂支護(hù)樁+冠梁+樁間高壓旋噴樁止水帷幕”懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)在本項(xiàng)目中的具體應(yīng)用，利用Midas/GTS NX軟件建立基坑開挖有限元模型，并結(jié)合現(xiàn)場基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用效果。

1" "工程概況

1.1" "工程基本情況

咸寧中心醫(yī)院新建感染病區(qū)隔離病房大樓項(xiàng)目，總建筑面積34919.06m2，其中地下建筑面積4299.45m2。隔離病房大樓為地下1層、地上16層的框架剪力墻結(jié)構(gòu)。地下室建筑高度5.7m，建筑高度68.4m。地下室基礎(chǔ)埋深7.5m，基坑平均開挖深度6.59m，周長327m，面積4795m2?；又苓叚h(huán)境復(fù)雜，其中基坑北側(cè)毗鄰藥房，基坑?xùn)|北側(cè)距居民樓較近，基坑南側(cè)距離金輪駕校圍墻5～12m，其余區(qū)域比較空曠，有放坡余地。

根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DB42/T159—2012）及現(xiàn)場情況判定，坑口內(nèi)壁離鄰近建筑物的距離小于2倍基坑開挖深度，場地土質(zhì)較差，地下水對基坑工程有一定影響，為Ⅱ類基坑。根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB42/T159—2012）綜合判定，咸寧市中心醫(yī)院傳染病區(qū)建設(shè)項(xiàng)目基坑工程重要性等級為一級，需將基坑水平位移控制在40mm以內(nèi)。

1.2" "地質(zhì)條件

根據(jù)《咸寧市中心醫(yī)院傳染病區(qū)建設(shè)項(xiàng)目場地巖土工程勘察報(bào)告書》，在勘探孔深度控制范圍內(nèi)，場地地層自上而下劃分為5個(gè)單元層，各地層巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

本工程基坑施工階段地下水主要為上層滯水，受天然降水影響較大，在坡頂和坑底均設(shè)置排水溝，采用鋼筋混凝土澆筑，基坑底四角及長邊中間設(shè)置集水坑，便于收集積水及時(shí)抽排。

1.3" "支護(hù)方案

基坑支護(hù)采用“懸臂支護(hù)樁+冠梁+樁間高壓旋噴樁止水帷幕”懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)樁采用鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)置冠梁，樁間采用直徑800mm的高壓旋噴樁止水帷幕，支護(hù)樁與樁之間采用土釘掛網(wǎng)噴混凝土進(jìn)行擋土、隔滲、導(dǎo)流疏排，以防止土方開挖過程中樁間土掉塊、地表水滲漏，方便地下結(jié)構(gòu)施工。

2" "數(shù)值模擬分析

2.1" "基本假定

為簡化計(jì)算，本計(jì)算模型采用如下基本假定條件[5]：一是同種材料為均質(zhì)、各向同性；二是土體為理想彈塑性材料；三是不考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對土體擾動(dòng)及地下水的影響。

根據(jù)“等剛度法”，將1D基坑支護(hù)樁單元簡化為2D連續(xù)墻板單元，其支護(hù)深度一致，具體計(jì)算公式如下：

式中：h為等價(jià)后的連續(xù)墻身厚度，m；t為凈樁距，取0.3m；D為基坑支護(hù)樁樁徑。

經(jīng)過計(jì)算可知，采用連續(xù)墻板單元模擬以水平受力為主的排樁時(shí)，取板單元的厚度為1.0m。

2.2" "模型建立

通?；娱_挖的影響深度為2～4倍的基坑開挖深度，影響寬度為3～4倍的基坑開挖深度。利用Midas/GTS NX軟件，建立尺寸為180m×140m×40m的有限元分析模型。模型中，巖土體采用“修正莫爾-庫倫”本構(gòu)模型，巖土體為3D實(shí)體單元，巖土參數(shù)見表1?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用“彈性”本構(gòu)模型，支護(hù)樁用等剛度連續(xù)墻2D板單元模擬，冠梁用1D梁單元模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

模型邊界條件如下：頂面為自由面，四周施加水平方向位移約束，底面施加水平及豎向位移約束。有限元三維計(jì)算模型如圖1所示。

2.3" "基坑分步開挖模擬

在三維計(jì)算模型中，基坑開挖過程模擬分3步進(jìn)行：第一步為計(jì)算巖土體初始地應(yīng)力場，同時(shí)位移清零；第二步為激活連續(xù)墻、冠梁組合成的懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)；第三步為進(jìn)行基坑土體開挖計(jì)算。

2.4" "模擬結(jié)果分析

2.4.1" 樁后巖土體水平位移分析

基坑左右兩側(cè)土體X方向水平位移云圖如圖2所示?；忧昂髢蓚?cè)土體Y方向水平位移云圖如圖3所示。從圖2、圖3可看出：基坑開挖造成四周土體向坑內(nèi)發(fā)生水平位移，且位移最大值發(fā)生在基坑側(cè)壁頂部，基坑各邊水平位移最大值分別為8.57mm、10.73mm、10.27mm、11.39mm；沿基坑側(cè)壁向下，水平位移向坑底方向逐漸減小；離基坑越遠(yuǎn)，水平位移越小。

2.4.2" "地表沉降及坑底隆起分析

基坑土體Z方向沉降位移云圖如圖4所示。從圖4可看出，受懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)及邊坡土體向坑內(nèi)產(chǎn)生水平位移影響，靠近基坑側(cè)壁處土體向下沉降，沉降最大值為8.91mm；同時(shí)，懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)產(chǎn)生水平位移對坑底土產(chǎn)生擠壓作用，造成坑底土體向上隆起，隆起最大值達(dá)到8.5mm。

由此可知，為減少坑底土隆起對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑產(chǎn)生過大影響，需盡快施作地下結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)。

2.4.3" "懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

基坑懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩云圖如圖5所示。從圖5可看出，懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)受最大正彎矩值為233kN/m，其出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角處基坑底以下一定距離；受最大負(fù)彎矩值為421kN/m，其出現(xiàn)在懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角處的頂面；整個(gè)懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受負(fù)彎矩作用；基坑形狀不規(guī)則，懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)角處易出現(xiàn)彎矩集中。

基于以上分析，為保證懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在轉(zhuǎn)角處進(jìn)行局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

3" "基坑監(jiān)測結(jié)果分析

3.1" "監(jiān)測方案

為保證基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工期間的安全與穩(wěn)定，需對基坑周邊道路、建筑物、邊坡及支護(hù)結(jié)構(gòu)等設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行沉降監(jiān)測及水平位移監(jiān)測。

3.2" "監(jiān)測結(jié)果分析

整個(gè)基坑監(jiān)測過程持續(xù)285d，通過整理基坑工程邊坡沉降觀測、邊坡水平位移觀測及周邊建筑物沉降觀測的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形結(jié)果曲線。各基坑監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形結(jié)果曲線如圖6所示。

由圖6可知，邊坡沉降最大值為10.48mm，最小值為7.65mm。周邊建筑物沉降最大值為3.81mm，最小值為2.57mm。邊坡水平位移最大值為5.3mm，最小值為1.5mm，累計(jì)變形值均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

基坑監(jiān)測結(jié)果表明：懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案是可行的，且因?yàn)槲丛O(shè)置內(nèi)支撐，能提供更大的作業(yè)空間，方便現(xiàn)場施工作業(yè)，有利于加快施工進(jìn)度；越靠近基坑，邊坡及周邊建筑物的沉降量越大；基坑開挖對周邊建筑、邊坡、支護(hù)結(jié)構(gòu)等影響均在允許范圍內(nèi)，可以保證基坑施工過程中的安全性與穩(wěn)定性。

4" "結(jié)束語

本文以咸寧中心醫(yī)院新建感染病區(qū)隔離病房大樓項(xiàng)目為依托，利用Midas/GTS NX軟件建立基坑開挖有限元模型，并結(jié)合現(xiàn)場基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用效果。得到如下成果：

本項(xiàng)目深基坑支護(hù)工程采用“懸臂支護(hù)樁+冠梁+樁間高壓旋噴樁止水帷幕”組合式懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全可行，有效保證了基坑及地下結(jié)構(gòu)施工期間的安全與穩(wěn)定，同時(shí)對周邊建筑的擾動(dòng)較小。

坑內(nèi)土體開挖不僅會(huì)造成邊坡土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)產(chǎn)生水平位移，同時(shí)還會(huì)引起邊坡土體及周邊建筑發(fā)生沉降、坑底發(fā)生隆起，為此需盡快施作地下結(jié)構(gòu)筏板基礎(chǔ)。懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要受負(fù)彎矩作用，且不規(guī)則形狀基坑在轉(zhuǎn)角處其支護(hù)結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)彎矩集中現(xiàn)象，為此需要進(jìn)行局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃雪峰，張蓓，覃小華，等.懸臂式圍護(hù)樁受力性狀與土壓力試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2015，36（2）：340-346+422.DOI：10.16285/j.rsm.2015.02.006.

[2] 付雋蒼，李根源，崔萬海，等.深基坑支護(hù)工程預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)[J].建筑施工，2021，43（11）：2241-2243.DOI：10.14144/j.cnki.jzsg.2021.11.008.

[3] 姬建華，劉亞偉，任鵬，等.復(fù)雜條件下超大深基坑預(yù)應(yīng)力懸臂圍護(hù)樁施工技術(shù)[J].施工技術(shù)（中英文），2022，51（19）：29-33.

[4] 楊子泉，苗長偉，唐輝.深基坑排樁復(fù)合支護(hù)技術(shù)及其應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù)，2021，43（9）：123-126.DOI：10.13905/j.cnki.dwjz.2021.09.027

[5] 蔣希雁，張雷剛，任曉亮.基于MIDAS/GTS對懸臂式支護(hù)基坑空間效應(yīng)的研究[J].建筑技術(shù)，2017，48（9）：1002-1005.DOI：10.13731/j.issn.1000-4726.2017.09.029.

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