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        某基坑典型樁錨支護段的設(shè)計研究

        2014-09-03 10:57:00吳少波卓宏博
        四川建筑 2014年5期
        關(guān)鍵詞:坑底支護樁錨索

        吳少波,秦 云,2,卓宏博

        (1.云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院,云南昆明650091;2.昆明市建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,云南昆明650041)

        隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用,基坑的面積和開挖深度越來越大,因此,傳統(tǒng)基坑支護方式面臨深度與廣度的挑戰(zhàn)[1]。近年來,昆明城市建設(shè)發(fā)展迅速,深基坑工程大量涌現(xiàn)。眾所周知,地處高原的昆明是典型的地質(zhì)博物館,地形地貌復(fù)雜多變,導(dǎo)致基坑工程在設(shè)計和施工中面臨多方困難,工程事故偶有發(fā)生。本文以昆明某高層建筑深基坑支護項目為例,選取典型性支護剖面,在理正深基坑工程軟件分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上,采用Midas/Gts軟件建立相應(yīng)的有限元分析模型,將理論分析結(jié)果與現(xiàn)場實測相對照,結(jié)果表明,上述兩種軟件在工程中是可行的,合理確定計算參數(shù)后,Midas/Gts的結(jié)果具有很高的可信度。

        1 工程概況

        擬建某保障房住宅項目位于昆明滇池國家旅游度假區(qū)大漁鄉(xiāng)片區(qū),月馬路和前新路交叉口東南角,東部緊鄰輕軌1號線終點站,南為規(guī)劃的8號路。受人工建設(shè)活動的影響,場地地形起伏變化較大,北高南低,東高西低,地質(zhì)勘察報告揭露該基坑整體土質(zhì)情況較差?;又荛L約為567 m,設(shè)二層整體地下室,開挖深度約為9.6 m。基坑周邊環(huán)境如圖1,基坑北距已建成的魚浦路30.5 m,東邊距離高架的輕軌一號線終點站28.6 m,站點為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為柱下大直徑?jīng)_孔嵌巖端承樁,南部擬建規(guī)劃路尚未建設(shè),在本工程建設(shè)期間亦不會開工建設(shè)。

        圖1 基坑周邊環(huán)境示意

        2 方案設(shè)計

        本基坑周邊環(huán)境較為一般,但最大開挖深度達(dá)9.6 m,依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012),基坑安全等級按照二級選取,基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.0?;娱_挖過程中,基坑坡頂4 m范圍內(nèi)不能堆放任何荷載,允許堆載寬度不得大于6 m, 且等效均布荷載應(yīng)不大于20 kN/m2。經(jīng)安全、經(jīng)濟、技術(shù)可行對比后,總體支護方案為:(1)在東南方向,采取“放坡+土釘+掛網(wǎng)噴混凝土”的方案;(2)在其它三個方向,采取頂部適當(dāng)“放坡+土釘、下部樁錨支護”的方案。

        基坑專項勘察地勘報告顯示,基坑3d-3d區(qū)段的填土最大厚度約為16 m,受人工建設(shè)活動影響,填土豎向差異較大,上部4 m深度范圍內(nèi)含有大量孤石或碎石,4~6m深度范圍內(nèi)為1.5~2.0 m厚的淤泥層,呈流塑狀??禹斶吘壘嚯x月馬路約6.2 m,其支護樁樁底已進(jìn)入道路路基范圍,局部含有土工格柵;考慮月馬路交通荷載,在基坑邊緣2.6 m處施加寬度為15 m的均布荷載30 kPa。顯然,3d-3d區(qū)段為本基坑工程設(shè)計和施工的重點區(qū)段。該區(qū)段整體長178.2 m,3d-3d區(qū)段長42.1 m,分析表明,該支護段不利位置樁頂冠梁提供的側(cè)向水平支撐剛度為0.016 MN/m,可忽略不計,偏安全,該區(qū)段可簡化為如圖2所示的平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?;臃植介_挖、分步支護,根據(jù)施工實際過程,基坑開挖由表1所示5個工況組成。

        圖2 基坑支護設(shè)計

        工況1上部4.0 m放坡開挖,坡度系數(shù)為1.2工況2土體開挖至4.7 m標(biāo)高,添加第一排預(yù)應(yīng)力錨索工況3土方開挖至8.2 m處工況4土體開挖至8.2 m標(biāo)高,添加第二排預(yù)應(yīng)力錨索工況5土方開挖至坑底9.6 m

        3 理正深基坑軟件計算分析

        根據(jù)地勘報告,3d-3d區(qū)段各土(巖)層的分布情況及其主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表2。

        表2 各土(巖)層主要物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)一覽

        由理正深基坑支護軟件得到的工況5結(jié)果如圖3所示,支護樁樁身向坑內(nèi)最大位移為21.34 mm,樁身最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值(以下未注均為標(biāo)準(zhǔn)值)為598.04 kN·m,均發(fā)生在基坑坑底平面處,也接近支護樁的中部??禹敶嬖? m高度的放坡后,在本區(qū)段剖面支護布置情況下,錨索計算最大內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值為第一道的381.71 kN[2],且計算所得兩道錨索的內(nèi)力差值不足5 %,較為均勻,表明本區(qū)段的支護設(shè)計較為合理。

        圖3 開挖至坑底時計算結(jié)果

        圖4為支護結(jié)構(gòu)在各工況下的位移分布圖。由圖中可知工況1下,支護樁樁身位移最大值為樁頂處的2.87 mm,其變形形態(tài)類同于受荷較小的全埋抗滑樁;在工況2下,錨索預(yù)加力的作用使樁頂位移由坑內(nèi)轉(zhuǎn)向坑外,坑內(nèi)最大位移為樁頂下約11.0 m處的2.74 mm;在工況3下,支護樁最大位移為樁頂下約8 m處的15.40 mm;在工況4,樁身最大位移為樁身長度9 m處的12.45 mm;在工況5,樁身最大位移為樁頂下約10 m處(與基坑底面標(biāo)高基本一致)的21.34 mm。由此可見,隨基坑開挖深度的增加,盡管樁身最大位移點的位置不同,但數(shù)值在總體上是逐步增加的,張拉錨索會使同等情況下的樁身最大位移有所減小,對于本工程,開挖至坑底后,可認(rèn)為最大位移點發(fā)生在坑底標(biāo)高處。

        圖4 樁身水平位移隨深度變化

        4 有限元軟件Midas/Gts計算分析

        4.1 分析模型

        采用有限元Midas/Gts對3d-3d區(qū)段建立二維平面應(yīng)變模型,進(jìn)行復(fù)核計算。為簡化分析,按常規(guī)根據(jù)地勘資料將地層簡化為豎向分層、水平各向同性的成層地基,模型尺寸充分考慮基坑開挖的影響深度為開挖深度的2~4倍、影響寬度為深度的3~4倍的因素。荷載分布和取值與理正軟件分析中的相同。土體采用實體單元,網(wǎng)格單元為1 m×1 m×1 m六面體單元,冠梁、腰梁及支護樁均為梁單元,采用植入式桁架單元模擬土釘、錨索,分析中,土的本構(gòu)關(guān)系為莫爾-庫倫理想彈塑性模型。具體有限元模型如圖5所示[3]。

        圖5 有限元分析模型

        4.2 計算參數(shù)

        土體Mohr-Coulomb的本構(gòu)模型在巖土工程數(shù)值模擬中的應(yīng)用較為成熟,需要用到的主要參數(shù)有土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度、泊松比及彈性模量,前三者可由地勘報告獲取,泊松比可根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗來取值,彈性模量的計算取值較為復(fù)雜,且該值直接影響著有限元分析準(zhǔn)確性。在數(shù)值模擬中,存在兩方面的問題:(1)勘察報告一般只提供土體的壓縮模量參數(shù),彈性模量需根據(jù)彈性力學(xué)理論換算得到;(2)Midas/Gts的工程實踐表明,直接采用換算所得彈性模量進(jìn)行模擬分析,所得計算位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實際觀測值。在Midas/Gts的工程實踐中,一般根據(jù)經(jīng)驗將彈性模量取為壓縮模量的2~5倍,具體數(shù)值帶有強烈的主觀性,缺乏理論依據(jù),目前,尚無一個為大家所認(rèn)可的取值方法。

        事實上,基坑變形也可理解為特殊荷載情況下的地基變形問題,眾所周知,在現(xiàn)行地基基礎(chǔ)規(guī)范的分層總和法計算地基變形中,理論壓縮計算結(jié)果均需引入沉降經(jīng)驗系數(shù)進(jìn)行修正方可得到反映實際情況的長期荷載作用下的沉降?;幼冃慰梢哉J(rèn)為是短期荷載作用下產(chǎn)生的地基變形問題。據(jù)此,在Midas/Gts分析中,若要得到反映實際的位移變形模擬結(jié)果,必須對地勘報告給出的壓縮模量進(jìn)行調(diào)整。

        筆者認(rèn)為,可通過沉降經(jīng)驗系數(shù)ψS將壓縮模量ES換算得到有限元計算所需要的彈性模量Ej。根據(jù) 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2011):一般多層建筑物在施工期間完成的沉降量,對于碎石或沙土可認(rèn)為其最終沉降量已完成80 %以上,對于其他低壓縮性土可認(rèn)為已完成最終沉降量的50 %~80 %,對于中壓縮性土可認(rèn)為已完成20 %~50 %,對于高壓縮性土可認(rèn)為已完成5 %~20 %[4]。基坑工程的使用期限一般為2年,又受到土質(zhì)情況及周邊環(huán)境等因數(shù)的影響,在實際開挖期間,土體并不能達(dá)到其最終沉降量,因此在對沉降經(jīng)驗系數(shù)ψs取值時應(yīng)當(dāng)有所保留,本文采用折減系數(shù)α來考慮荷載作用時間的影響,該折減系數(shù)可認(rèn)為是2年內(nèi)地基變形量占荷載長期作用下總變形量的百分比,其值按上述原則結(jié)合土體實際情況確定。綜合考慮上述因素,筆者認(rèn)為,計算彈性模量可按式(1)確定:

        Ej=ES/(ψs×α)

        (1)

        式中:ψs為沉降經(jīng)驗系數(shù),可根據(jù)各土層在自重應(yīng)力區(qū)段的壓縮模量,查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2011)表5.3.5得到。

        按上述原則,可確定本工程各土層的計算彈性模量如表3所示。

        4.3 有限元分析結(jié)果

        圖6為通過Midas/Gts分析得到的水平位移分布圖。從圖中可知3d-3d支護段,當(dāng)開挖至坑底時,計算所得樁身最大水平位移值為14.75 mm,發(fā)生在支護樁靠近基坑坑底的位置,與根據(jù)測斜觀測得到的13.80 mm較為一致。

        圖6 支護結(jié)構(gòu)模型

        圖7為基坑地表沉降圖,從圖中可看出,基坑最大豎向位移發(fā)生在坑底,其最大隆起量為32.74 mm,與實際開挖情況較為符合。同時坑頂處隨著與基坑邊線距離增大,其后方的沉降逐漸增大,尤其在堆載位置,沉降達(dá)到最大值13.70 mm,與實際監(jiān)測值15.64 mm亦較為接近。對于本工程,當(dāng)距坑邊的距離增大到坑深的3倍后,地表沉降主要由地面荷載引起,與基坑開挖無直接的聯(lián)系。

        表3 各土層計算彈性模量取值的確定一覽表

        圖7 基坑地表沉降

        4.4 實際監(jiān)測情況

        圖8反映了Midas/Gts分析結(jié)果與實際監(jiān)測值得對比情況,從圖中可以看出在基坑上部5 m,有限元模擬結(jié)果比實際監(jiān)測結(jié)果偏小3~6 mm,出現(xiàn)這種情況的原因可能是上部素填土含有大量碎石塊,土體并不連續(xù)。自5 m以下,分析結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果較為接近,能夠較好地反映出土體的位移。由表4可得出樁頂B處位移模擬值與實際值較為接近,而坡頂處A點的位移模擬值與圖8中的上部位移一樣,均與實測值相差較大,結(jié)果表明,Midas/Gts模擬對樁錨支護段可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果,而對上部受外環(huán)境影響較大、土體可能不連續(xù)的放坡段,計算數(shù)值偏小,且誤差較大。

        表4 坡頂位移計算值與實測值 mm

        圖8 開挖至坑底基坑水平位移分布

        5 結(jié)論

        針對該基坑工程的支護設(shè)計,采用有限元軟件Midas/Gts分析,可得出以下結(jié)論:

        (1)采用本文所述方法確定的土體計算彈性模量,在Midas/Gts中可以得到與工程實際監(jiān)測結(jié)果較為接近的數(shù)值模

        擬結(jié)果。所述計算彈性模量的取值方法,可供工程實踐參考。

        (2)在基坑開挖過程中,樁錨支護樁樁身的最大位移點是變化的,對于本工程而言,開挖至坑底后,最大變形點位移坑底標(biāo)高附近。

        (3)對土體連續(xù)的樁錨支護段,Midas/Gts可以給出較為滿意的模擬結(jié)果;但對于受外界環(huán)境影響較大、且土體不連續(xù)的上部放坡段,數(shù)值模擬結(jié)果偏小,且誤差較大。

        (4)錨索張拉,均可使樁身位移較相同情況下的樁身最大水平位移減小,故在錨索可靠的情況下,補張拉或超張拉均可提高支護結(jié)構(gòu)的剛度。

        [1] 劉建航,候?qū)W淵.基坑工程手冊[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社,1997

        [2] 劉志宏,張瑞華.環(huán)形結(jié)構(gòu)支撐體系在基坑工程中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu),2012,(6)

        [3] 涂飛,蕫志良,鮑樹峰.新建貴廣鐵路佛山隧道基坑超挖施工數(shù)值模擬分析[J].路基工程,2012,(1):45-50

        [4] GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

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