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        數(shù)值模擬在基坑雙排樁支護(hù)計(jì)算中的應(yīng)用

        2018-09-07 08:01:06彭小毅高嘉麗許利東
        建筑施工 2018年3期
        關(guān)鍵詞:模擬計(jì)算黏土錨索

        彭小毅 高嘉麗 許利東 陳 明

        云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司 云南 昆明 650501

        1 工程概況

        云南省昆明市官渡區(qū)五里中央商務(wù)區(qū)(CBD)項(xiàng)目A22地塊基坑開挖范圍內(nèi)有部分河道,需在基坑開挖前將河道改移至基坑開挖范圍以外。

        原地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2層,基坑開挖深度約11.22 m,從安全、經(jīng)濟(jì)、施工便捷等方面考慮,擬采用雙排樁支護(hù),且雙排樁上部兼作金汁河河道;后因地下室規(guī)劃調(diào)整,地下室結(jié)構(gòu)由2層調(diào)整為3層,基坑開挖深度增加至14.92 m。但原設(shè)計(jì)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)已施工完畢,因此在原設(shè)計(jì)雙排樁間增加5道預(yù)應(yīng)力錨索以確?;娱_挖過程中的安全性。

        2 工程地質(zhì)條件

        本剖面基坑支護(hù)范圍內(nèi)主要土層自上而下分別為:①雜填土,松散,以黏性土為主;②黏土,硬塑狀為主,局部為可塑狀,夾有粉質(zhì)黏土;③圓礫,稍密-中密狀,為沖洪積相沉積物;④黏土,硬塑狀,局部可塑;④3泥炭質(zhì)土,可塑至硬塑,富含有機(jī)質(zhì)、炭質(zhì)及腐殖質(zhì);⑤黏土,硬塑狀;⑦黏土,硬塑狀;⑦2泥炭質(zhì)土,硬塑,富含有機(jī)質(zhì)、炭質(zhì)及腐殖質(zhì);⑨粉質(zhì)黏土,硬塑狀,局部堅(jiān)硬狀。

        3 設(shè)計(jì)方案

        原地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為2層,基坑底標(biāo)高為1 881.38 m,開挖深度11.22 m。基坑南側(cè)剖面考慮基坑支護(hù)及河道改遷,基坑采用雙排樁支護(hù),雙排樁上部掏土后為改遷金汁河河道,止水帷幕采用普通水泥土攪拌樁。前、后排樁樁徑均為0.8 m,樁間距1.3 m,考慮河道凈寬,排距為6.5 m。

        在原設(shè)計(jì)雙排支護(hù)樁施工完成后,地下室結(jié)構(gòu)由2層調(diào)整為3層,基坑底標(biāo)高調(diào)整為1 877.68 m,基坑開挖深度增加至14.92 m。經(jīng)計(jì)算復(fù)核,樁身抗彎承載力及樁身水平位移均不滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)合現(xiàn)場情況,綜合考慮基坑“安全、經(jīng)濟(jì)、適用”等方面的因素,擬采用“雙排樁+預(yù)應(yīng)力錨索”復(fù)合支護(hù)形式(圖1),其中預(yù)應(yīng)力錨索共5道,自由段8 m,錨固段15 m,總長23 m@2 600 mm,鉆孔直徑200 mm,預(yù)加力200 kN。采用此方案后,基坑順利開挖到底,各項(xiàng)控制指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

        圖1 基坑復(fù)合支護(hù)方案剖面示意

        4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

        4.1 數(shù)值模擬參數(shù)

        方案中,雙排樁樁間兼作河道,前排樁上施工5道預(yù)應(yīng)力錨索,此類方案計(jì)算模型復(fù)雜,傳統(tǒng)的計(jì)算軟件不能建立此類復(fù)雜的計(jì)算模型,因此采用Plaxis 2D巖土有限元分析軟件建模,進(jìn)行雙排樁內(nèi)力、水平位移及樁后地面沉降計(jì)算。

        數(shù)值模擬計(jì)算采用HS模型,HS模型總共包括11個(gè)參數(shù)。其中3個(gè)強(qiáng)度參數(shù)為有效黏聚力C、有效內(nèi)摩擦角φ、剪脹角Ψ;4個(gè)基本剛度參數(shù)為三軸排水試驗(yàn)的參考割線剛度固結(jié)試驗(yàn)的參考切線剛度卸荷再加荷模量剛度應(yīng)力水平相關(guān)冪指數(shù)m;4個(gè)高級參數(shù)為卸荷再加荷泊松比νur、參考應(yīng)力Pref、破壞比Rf、正常固結(jié)條件下的側(cè)壓力系數(shù)

        其中,本項(xiàng)目各土層參數(shù)如表1所示[1-4]。

        表1 項(xiàng)目各土層參數(shù)

        4.2 計(jì)算模型

        根據(jù)工程實(shí)際情況建立二維平面應(yīng)變模型,土體采用十五節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬,雙排支護(hù)樁及連梁采用梁單元模擬,預(yù)應(yīng)力錨索自由段采用點(diǎn)對點(diǎn)錨桿模擬,錨固段采用土工格柵模擬;基坑開挖外模型尺寸取基坑開挖深度3倍,模型總尺寸為80 m×30 m;基坑外菊苑路道路荷載取35 kPa;模型左右兩側(cè)約束水平位移,模型底部約束水平、豎向位移;采用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分精度選擇中等精度并對支護(hù)樁及基坑底部的網(wǎng)格進(jìn)行加密,以便獲得較高的計(jì)算精度(圖2)。

        圖2 計(jì)算模型

        4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        考慮實(shí)際施工是一個(gè)多階段過程,模型總共分為6個(gè)施工工況,分別為:①雙排樁及連梁施工→開挖河道施工→第1層土方開挖至-5.5 m→第1道錨索施工→②第2層土方開挖至-7.5 m→第2道錨索施工→③第3層土方開挖至-9.5 m→第3道錨索施工→④第4層土方開挖至-11.5 m→第4道錨索施工→⑤第5層土方開挖至-13.5 m→第5道錨索施工→⑥開挖至坑底-14.92 m。開挖至坑底后支護(hù)樁的彎矩圖及剪力圖如下(圖3、圖4)。受雙排樁排距大及河道開挖的影響,后排樁彎矩小于前排樁彎矩,后排樁彎矩約為前排樁彎矩的1/2,且在總體趨勢上有較大的差別。

        圖3 雙排樁彎矩

        圖4 雙排樁剪力

        前排樁最大彎矩設(shè)計(jì)值為358.42 kN·m,后排樁最大彎矩設(shè)計(jì)值為194.60 kN·m。按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用PKPM軟件進(jìn)行配筋驗(yàn)算后,得知已施工雙排樁樁身抗彎承載力能滿足設(shè)計(jì)要求。前排樁最大剪力設(shè)計(jì)值為241.40 kN,后排樁最大剪力設(shè)計(jì)值為84.06 kN,按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用PKPM軟件進(jìn)行配筋驗(yàn)算后,得知已施工雙排樁樁身抗剪承載力能滿足設(shè)計(jì)要求。在各開挖工況下,土體深層水平位移及樁后地表沉降如下(圖5、圖6)。

        模擬計(jì)算得出基坑開挖到基坑底后,深層水平位移最大值達(dá)到20.88 mm,而開挖到底后實(shí)際監(jiān)測的深層水平位移最大值為22.62 mm,兩者相差1.74 mm。

        模擬計(jì)算得出墻后各工況地面沉降呈拋物線形,基坑開挖到底后,最大沉降量發(fā)生在距離后排樁外7.46 m處,最大沉降量為29.92 mm;實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)中,最大沉降量發(fā)生在后排樁外10.20 m處,最大沉降量為30.82 mm,模擬計(jì)算值和監(jiān)測值比較接近。

        基坑開挖到底部后,錨索軸力計(jì)算值和監(jiān)測值對比如表2所示。

        圖5 深層水平位移

        圖6 地表沉降量

        表2 錨索軸力對比

        表2表明:模擬計(jì)算值和實(shí)測值比較吻合且呈現(xiàn)“中間大,兩頭小”的趨勢,符合基坑開挖錨索內(nèi)力規(guī)律,模擬結(jié)果可以用于錨索設(shè)計(jì)。

        5 結(jié)語

        本文中采用“雙排樁+預(yù)應(yīng)力錨索”這種復(fù)合支護(hù)形式解決了因基坑開挖深度而導(dǎo)致的原有雙排樁不能滿足設(shè)計(jì)要求的難題,且雙排樁樁間兼作河道,節(jié)省了河道河堤擋土墻,取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

        針對本文中如此復(fù)雜的雙排樁計(jì)算模型,傳統(tǒng)深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件已不能滿足建模要求,有限元軟件恰好能彌補(bǔ)傳統(tǒng)軟件的這一缺陷。本文基于Plaxis 2D有限元軟件,采用土體硬化(HS)模型對復(fù)雜雙排基坑支護(hù)模型的整個(gè)施工階段進(jìn)行數(shù)值模擬,得出支護(hù)樁內(nèi)力、位移及樁后地面沉降值,并與監(jiān)測值進(jìn)行對比。

        對比結(jié)果顯示,數(shù)值模擬能較好地反映基坑開挖的變形趨勢,且數(shù)值上與監(jiān)測值也較好地吻合,證明本文中模擬軟件使用正確,參數(shù)取值合理,對類似項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值。

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