鄭鳳先
(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,200433,上海∥工程師)
隨著上海城市軌道交通的發(fā)展,大量的地鐵深基坑工程出現(xiàn)在城市建筑物密集地區(qū)。軟土地區(qū)基坑開挖引起的坑外地表沉降非常顯著,過大的地表沉降導(dǎo)致鄰近建筑物出現(xiàn)沉陷、傾斜乃至結(jié)構(gòu)開裂,影響建筑物的使用安全。因此,對基坑鄰近建筑物的保護(hù)已成為上海地區(qū)基坑工程的一個(gè)重要課題。隔離樁作為一種有效的基坑鄰近建筑物保護(hù)措施,其應(yīng)用日漸增多。但是對其機(jī)理和規(guī)律的研究相對較少。文獻(xiàn)[1]提出隔離樁的長度和剛度對控制土體變形有影響作用;文獻(xiàn)[2]介紹了成都地鐵2號(hào)線某車站基坑鄰近建筑物保護(hù)的實(shí)例。本文以上海某地鐵基坑鄰近建筑物保護(hù)的實(shí)際工程為背景,采用有限元軟件較為全面地分析了隔離樁樁長、樁體剛度和隔離樁位置對保護(hù)建筑物沉降控制的影響,歸納出對工程具有參考意義的結(jié)論。
上海軌道交通11號(hào)線某車站位于浦東新區(qū),擬建場地的地形平坦,屬濱海平原地貌類型。場地位于古河道地層沉積區(qū),其北側(cè)存在少量暗浜,深度約為3m。場地土層分布自上而下依次為:①1填土,①2淤泥,②1褐黃~灰黃色黏土,③1灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,③2灰色黏質(zhì)粉土,③3灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,④灰色淤泥質(zhì)黏土,⑤11灰色黏土,⑤1A灰色砂質(zhì)粉土,⑤12灰色粉質(zhì)黏土夾粉砂,⑤2灰色砂質(zhì)粉土,⑤3灰色粉質(zhì)黏土,⑦2草黃~灰色粉砂,⑦2A草黃~灰色粉質(zhì)黏土。擬建場地淺部地下水屬潛水類型,地下水位埋深為0.60~2.00m。根據(jù)詳細(xì)勘察資料,本場地⑤1A、⑤2層為微承壓水層,⑦層為承壓含水層。
擬建車站為雙柱三跨(局部單柱雙跨)混凝土箱形結(jié)構(gòu)。其標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約為16.5m,坑底位于④層灰色淤泥質(zhì)黏土中。圍護(hù)采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的形式。需保護(hù)的鄰近建筑物位于基坑?xùn)|北側(cè)(見圖1),系三層磚砌結(jié)構(gòu),目前為私立幼兒園,距離基坑約17m。此建筑物主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1)保護(hù)建筑物為三層磚砌結(jié)構(gòu),筏板基礎(chǔ),持力層土質(zhì)較差,建筑抗沉降和抗傾斜能力弱,在降水試驗(yàn)和先期導(dǎo)墻施工階段,墻體已經(jīng)出現(xiàn)大量裂縫。
2)保護(hù)建筑物距基坑較近,最近處為17m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),基坑開挖引起的地表沉降影響范圍大約為兩倍基坑深度,因此,建筑物處于開挖影響范圍之內(nèi),地表沉降引起的建筑物變形無法避免。
3)保護(hù)建筑物具有特殊的商業(yè)用途,建筑的安全非常重要。若采用大規(guī)模地基注漿或斜樁加固的方式將會(huì)引起恐慌,影響正常經(jīng)營,經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)負(fù)面效應(yīng)較嚴(yán)重。
綜合各因素,鄰近建筑物保護(hù)方案采用基坑圍護(hù)外設(shè)置隔離樁的方式。隔離樁采用φ800mm@1 000mm的鉆孔灌注樁。
圖1 地鐵基坑與鄰近建筑物關(guān)系圖
地鐵基坑長寬比很大,可以作為平面問題分析。雖然只有基坑一側(cè)存在受保護(hù)建筑物,模型并不嚴(yán)格對稱,但經(jīng)過試算,采用全模型分析與半模型分析相比對計(jì)算結(jié)果差異性很小,且半模型分析可顯著節(jié)省計(jì)算時(shí)間,因此本文采用半模型分析。為消除邊界尺寸對計(jì)算的影響,模型長度取90m,高度80 m,基坑深度16.7m,地下連續(xù)墻深度35m。鄰近建筑物距基坑邊的距離為17m。計(jì)算模型中土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬,地下連續(xù)墻與隔離樁用Plate單元模擬,地下連續(xù)墻與土、隔離樁與土的接觸采用界面單元模擬,隔離樁經(jīng)等剛度代換得到等效Plate單元厚度,支撐采用彈簧單元(Anchor)模擬,支撐剛度根據(jù)實(shí)際支撐材料參數(shù)經(jīng)計(jì)算得到。有限元模型如圖2所示。
圖2 有限元模型圖
土體模型采用Plaxis提供的Harding Soil Model。這種模型可以反應(yīng)土體剛度依賴應(yīng)力和應(yīng)變水平的特性,可以很好地模擬在基坑開挖過程中土體加載-卸載導(dǎo)致的土體性狀變化,能較準(zhǔn)確地預(yù)測基坑變形的情況[4]。但是該土體模型也帶來土體參數(shù)方面的問題,Plaxis HS模型主要的土體剛度參數(shù)有:參考壓縮模量Erefoed,參考割線剛度Eref50,參考卸荷再加荷模量Erefur,泊松比μ,剛度應(yīng)力水平冪指數(shù)m,剪脹角Ψ,反映土體與地下連續(xù)墻接觸面的參數(shù)Rinter。這些土體參數(shù)并不會(huì)在地質(zhì)勘察報(bào)告中給出。本文將土層①、②合并為新的①層,⑤11、⑤1a、⑤12、⑤2合并為新的⑤層,并根據(jù)文獻(xiàn)及上海本地經(jīng)驗(yàn)選取土體參數(shù),詳見表1。
表1 土層參數(shù)
有限元模擬分為11個(gè)計(jì)算工況,首工況為幼兒園三層建筑物建成后,進(jìn)行5年的固結(jié)計(jì)算,將計(jì)算所得建筑沉降清零,避免工后固結(jié)沉降對隔離樁分析結(jié)果造成影響。其余計(jì)算工況完全按照基坑分層開挖的實(shí)際情況設(shè)置,先開挖變形后加支撐。初始水位為地面下1m,并在計(jì)算中修正水位線,以反映基坑降水引起的地下水位變化?;又苓叧d取20kPa。
基坑開挖對鄰近建筑物造成的影響,主要是由基坑開挖引起的坑外地表沉降,由此引起建筑物的變形。變形導(dǎo)致的附加應(yīng)力使建筑物出現(xiàn)大量裂縫而威脅正常的使用。引起地表沉降的主要原因有:
1)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變位導(dǎo)致坑外土體往基坑方向移動(dòng);
2)基坑開挖卸荷導(dǎo)致坑底部土體發(fā)生回彈隆起,從而引起坑外側(cè)土體沉降補(bǔ)充。
從地表沉降產(chǎn)生的因素分析,保護(hù)基坑鄰近建筑物的方法實(shí)質(zhì)是控制基坑開挖引起的水平變位和坑底隆起。這可通過增加支撐道數(shù),加強(qiáng)支撐剛度,坑底加固,遵循時(shí)空效應(yīng)原理快挖快撐等方式加以控制。這些措施對一般的鄰近建筑物是可以滿足保護(hù)要求的,但由于本工程中基坑鄰近建筑物的特殊性,對其保護(hù)要求非常嚴(yán)格。經(jīng)綜合考慮,本工程用隔離樁作為保護(hù)措施。隔離樁的機(jī)理實(shí)質(zhì)是控制建筑物基底的土體位移。通過設(shè)置隔離樁穿過土體變形可能的滑移面,提供抗滑移的力,隔離建筑物與基坑引起的土體位移場,從而減少建筑物側(cè)的土體變形,達(dá)到保護(hù)建筑物的目的(見圖3)。
圖3 隔離樁作用機(jī)理圖
通過上述對隔離樁工作機(jī)理的分析可知,隔離樁必須穿過土體滑移面才會(huì)發(fā)揮較好的沉降控制效果,因此,這里有三個(gè)因素需要分析:隔離樁樁長,隔離樁設(shè)置位置,隔離樁的剛度。這三個(gè)因素綜合影響隔離樁的作用效果,為了防止三個(gè)影響因素相互影響,在分析一個(gè)影響因素時(shí),保持其他兩個(gè)因素條件不變。
3.2.1 隔離樁樁長對沉降控制的影響
首先分析樁長對隔離樁處理效果的影響。隔離樁采用φ800mm@1 000mm鉆孔灌注樁,距離保護(hù)建筑物5m,距基坑12m;按隔離樁樁長0m、10m、15m、20m、25m、30m、35m、40m變化 ,分析樁長變化對建筑物沉降、地下連續(xù)墻最大彎矩產(chǎn)生的影響。本文所提到的建物沉降,均指差異沉降,即幼兒園建筑物距離基坑最近點(diǎn)(記為A點(diǎn))與最遠(yuǎn)點(diǎn)(記為B點(diǎn))的沉降差值。圖4給出了樁長與差異沉降的關(guān)系曲線。由圖4可以看出,樁長對建筑物差異沉降的影響非常顯著,隨著樁長的增加,差異沉降明顯減小。樁長也存在一個(gè)最優(yōu)長度,隔離樁樁長從0到15m增加時(shí),差異沉降減小有限,曲線斜率很?。粯堕L增加到15~25m時(shí),曲線斜率明顯增大,樁長對差異沉降的影響顯著;當(dāng)樁長大于25m時(shí),差異沉降曲線再次變得平緩。圖5反映了樁長與地下連續(xù)墻最大彎矩的關(guān)系,其與樁長對差異沉降的影響規(guī)律非常接近。隨著樁長的增加,地下連續(xù)墻的最大彎矩減小,當(dāng)樁長在15~25m區(qū)間變化時(shí),地下連續(xù)墻最大彎矩減小明顯;而樁長超過25m時(shí),地下連續(xù)墻的最大彎矩基本保持不變。可以從中得到結(jié)論:隔離樁的長度對鄰近建筑物差異沉降的影響比較明顯,樁長過短,不能很好地發(fā)揮擋土效應(yīng),對差異沉降的控制有限;樁長過長,則不夠經(jīng)濟(jì)。因此,確定合理的樁長非常重要。
圖4 隔離樁樁長與建筑物差異沉降關(guān)系圖
圖5 隔離樁樁長與地下連續(xù)墻最大彎矩關(guān)系圖
3.2.2 隔離樁設(shè)置位置對沉降控制的影響
隔離樁設(shè)置的位置(設(shè)樁長為20m)對控制沉降也有很大的影響。圖6顯示的是隔離樁距被保護(hù)建筑物2m、5m、8m、11m、14m、16m變化時(shí),建筑物差異沉降的變化規(guī)律。從圖6可以看出:隔離樁距離建筑物越遠(yuǎn),保護(hù)建筑物的差異沉降越大,并在距離為14m時(shí)差異沉降達(dá)到最大,此時(shí)隔離樁距離基坑圍護(hù)地下連續(xù)墻為3m;當(dāng)隔離樁與建筑物的距離繼續(xù)增加時(shí),即距離基坑更近時(shí),圖6中曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折,差異沉開始有一定程度的減小。隔離樁距離保護(hù)建筑物近時(shí),差異沉降小是因?yàn)楦綦x樁將基坑開挖導(dǎo)致的坑外土體變位在一定程度上作了隔離;而隔離樁靠近基坑時(shí)之所以再次出現(xiàn)差異沉降變小的趨勢,是因?yàn)楦綦x樁與地下連續(xù)墻的距離很小時(shí),樁與地下連續(xù)墻以及兩者之間的土體構(gòu)成一種類似排架的“復(fù)合”圍護(hù)結(jié)構(gòu),相當(dāng)于大幅增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度,因此基坑變位較小,坑外土體的不均勻沉降也隨之變小。從圖7中可以看出,隔離樁的位置與地下連續(xù)墻最大彎矩兩者接近單向線性關(guān)系,隨著隔離樁靠近基坑,地下連續(xù)墻的最大彎矩持續(xù)減小。這是由于隔離樁離基坑越近,樁與地下連續(xù)墻的協(xié)同作用越強(qiáng),隔離樁對土壓力的分擔(dān)越多,因此地下連續(xù)墻的彎矩減小。
綜合隔離樁的位置對鄰近建筑物差異沉降的影響可以看出,隔離樁靠近被保護(hù)建筑物和靠近基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)雖然都可以減小基坑開挖引起的地表不均勻沉降,但是隔離樁設(shè)置在距保護(hù)建筑物較近位置上的效果更好。在圖6中,隔離樁距建筑物為2m時(shí)的建筑物差異沉降小于隔離樁距建筑物為16m時(shí)的建筑物差異沉降。隔離樁距保護(hù)建筑物也不能過近,必須考慮隔離樁施工對保護(hù)建筑物可能產(chǎn)生的影響。
圖6 隔離樁位置與建筑物差異沉降關(guān)系圖
3.2.3 隔離樁剛度對沉降控制的影響
圖7 隔離樁位置與地下連續(xù)墻最大彎矩關(guān)系圖
在φ800mm@1 000mm鉆孔灌注樁剛度的基礎(chǔ)上進(jìn)行增減,以研究剛度變化對建筑物差異沉降的影響(設(shè)隔離樁距幼兒園5m,距基坑12m,樁長為20m)。圖8中給出的是隔離樁樁體剛度對沉降控制的影響。為了表示方便,特做如下定義:圖8橫坐標(biāo)中1代表φ800mm@1 000mm鉆孔灌注樁換算得到的板單元?jiǎng)偠龋?.1代表將此剛度折減為十分之一,橫坐標(biāo)中2代表剛度增大1倍,以此類推。分析圖8中曲線可以發(fā)現(xiàn),隔離樁的剛度與差異沉降控制有明顯的相關(guān)性:隔離樁的剛度太小,差異沉降較大,保護(hù)效果有限;隨著剛度的增大,當(dāng)達(dá)到1時(shí),曲線趨于平緩;若剛度繼續(xù)增加,其對差異沉降的控制貢獻(xiàn)不明顯。隔離樁剛度與地下連續(xù)墻最大彎矩的相互規(guī)律與上述中剛度-差異沉降的規(guī)律非常接近(見圖9):隔離樁剛度增大時(shí)地下連續(xù)墻的最大彎矩減?。幌鄬偠冗_(dá)到1左右時(shí),曲線斜率已很小,地下連續(xù)墻的最大彎矩趨于穩(wěn)定;再繼續(xù)增加剛度,差異沉降幾乎不受影響。
圖8 隔離樁剛度與建筑物差異沉降關(guān)系圖
圖9 隔離樁剛度與地下連續(xù)墻最大彎矩關(guān)系圖
實(shí)際采取的建筑物保護(hù)方案為:隔離樁選擇φ800mm@1 000mm鉆孔灌注樁,樁長20m,隔離樁距離幼兒園約為5m?;邮┕ぶ埃瑸榧訌?qiáng)對幼兒園的監(jiān)測和保護(hù),在其周圍共設(shè)置16個(gè)測點(diǎn)。這里選取比較有代表性的2個(gè)測點(diǎn)F21與F22(見圖10)。其中F21距離基坑最近為17m,F(xiàn)22距離基坑約38m。實(shí)際監(jiān)測表明,在基坑的施工過程當(dāng)中,F(xiàn)21產(chǎn)生的沉降最大值約為20.2mm,F(xiàn)22則比較小,約為11.8mm。現(xiàn)以差異沉降為參照,對比基坑施工各工況下實(shí)際監(jiān)測沉降值和有限元計(jì)算所得沉降值。為方便表達(dá),圖11中曲線的橫坐標(biāo)數(shù)字表示基坑開挖到相應(yīng)支撐時(shí)的工況。比如:1代表基坑開挖第一層土并架設(shè)第一道支撐;2代表基坑開挖第二層土并架設(shè)第二道支撐;其余依此類推;5代表開挖到基坑底。從圖11中可以看出:監(jiān)測值在第四道支撐架設(shè)之前,實(shí)際建筑物的差異沉降比計(jì)算值要小,其原因可能是由于二維的有限元分析,未能反映基坑變形的空間效應(yīng),造成計(jì)算結(jié)果偏大;而到開挖后期,監(jiān)測的建筑物差異沉降明顯增加,這是由于后期局部施工段底板澆注因大雨在一定程度上延誤了工期,底板剛度沒有及時(shí)形成??傮w上,計(jì)算值與實(shí)測值的2條曲線趨勢基本相同?;邮┕み^程中,監(jiān)測到的建筑物最大差異沉降達(dá)到8.4mm,這個(gè)差異沉降值與建筑物安全容許差異沉降相比還很小。因此,隔離樁對基坑臨近建筑物的保護(hù)效果是顯著的。
圖10 監(jiān)測點(diǎn)布置圖
圖11 差異沉降計(jì)算值與實(shí)測值對比圖
通過對隔離樁的有限元分析計(jì)算和實(shí)際工程監(jiān)測值的對比,可得到以下結(jié)論:
1)隔離樁對鄰近基坑的建筑物保護(hù)有顯著的效果,可以很好地控制被保護(hù)建筑物的差異沉降。
2)隔離樁必須有合理的樁長,應(yīng)穿過基坑開挖引起的坑外土體滑裂面,才能得到比較好的沉降控制效果。
3)隔離樁設(shè)置的位置應(yīng)盡量合理地靠近被保護(hù)建筑物,同時(shí)要考慮到施工對建筑物造成的不利擾動(dòng)。
4)隔離樁應(yīng)該具備一定的剛度才能發(fā)揮保護(hù)作用,本文通過對計(jì)算結(jié)果的分析,推薦隔離柱采用直徑不小于600mm的鉆孔灌注樁。
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