吳 兵
(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都 610061)
排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)深基坑普遍應(yīng)用的一種支護(hù)形式,在成都地區(qū)深基坑工程中有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,根據(jù)設(shè)計(jì)方法求得給定參數(shù)值情況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力,但隨著某些參數(shù)在取值上可能發(fā)生的變化,結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力會(huì)發(fā)生什么樣的變化對(duì)整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)和安全有著重要的影響,對(duì)實(shí)際工程的參數(shù)敏感性分析為設(shè)計(jì)施工決策提供了重要依據(jù)。
成都地鐵某廣場(chǎng)站深基坑開(kāi)挖深度約23.54m,采用“排樁+內(nèi)支撐”支護(hù)體系。排樁采用Φ1200@2200mm鋼筋混凝土樁,樁長(zhǎng)為27m,嵌固深度為3.5m;內(nèi)支撐采用Φ603×12mm鋼管,水平間距2.7~3.5m,豎向設(shè)置4道;樁間土體采用Φ8@150mm×150mm鋼筋網(wǎng)片加150mm厚C20混凝土防護(hù)。明挖基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖1。
圖1 基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面
站區(qū)地處成都平原岷江Ⅲ級(jí)階地,為山前臺(tái)地地貌。場(chǎng)地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層,第四系中、下更新統(tǒng)冰水沉積(Q2-1fgl)黏土、粉砂、含卵石黏土和含黏土卵石,下伏基巖為白堊系上統(tǒng)紫紅色泥巖。
地下水主要有4種類型:一是賦存于黏土層之上的上層滯水,二是賦存于黏土中的裂隙水,三是第四系松散土層(含卵石黏土和含黏土卵石)的孔隙潛水,四是基巖裂隙水(基巖溶孔溶隙裂隙潛水)。
(1)該工程屬于典型的長(zhǎng)條型基坑,計(jì)算時(shí)假設(shè)沿基坑長(zhǎng)度方向無(wú)限長(zhǎng),取其中1根樁及周圍土體為研究對(duì)象。
(2)由于在基坑開(kāi)挖時(shí)通過(guò)降水使地下水位一直處在坑底以下,故不考慮地下水的滲流作用。
(3)不考慮樁間掛網(wǎng)噴射混凝土對(duì)樁間土的防護(hù)作用。
(4)砂卵石、泥巖采用Mohr-Coulomb模型;黏性土采用線性Drucker-Prager模型;圍護(hù)樁和鋼支撐均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。土體和圍護(hù)樁采用實(shí)體建模,采用C3D8R單元;鋼支撐采用僅壓桿單元T3D2。
(5)文章采用接觸面加摩擦的方式來(lái)模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)與土之間的接觸特性,摩擦系數(shù)統(tǒng)一取值0.35。
圖2 有限元計(jì)算網(wǎng)格
整個(gè)模型土體共計(jì)11 841個(gè)單元,支撐40個(gè)單元和圍護(hù)樁1242個(gè)單元,樁土界面建立7個(gè)接觸對(duì)。有限元計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖2。
(1)土巖的物理力學(xué)參數(shù)。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,對(duì)實(shí)際地層進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化,將地層分為黏性土、砂卵石、泥巖3層,根據(jù)工程勘察資料,其計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。
(1)collection of R.p=p,{R.s}is grouped by different R.s
(2)鋼筋混凝土灌注樁。
表1 土(巖)層的計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)
混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30,樁身縱筋為25Φ25,鋼筋等級(jí)為Q235,圍護(hù)樁的彈性模量E近似取值為30GPa,泊松比υ取值為0.2,密度取值為2 400kg/m3。
(3)鋼管內(nèi)支撐。
彈性模量E取值為210GPa,泊松比υ取值為0.2。
根據(jù)基坑開(kāi)挖和加撐的施工工序,每層土體開(kāi)挖和加撐均單獨(dú)作為一個(gè)工序,工況劃分:開(kāi)挖至1.5m—加第一道支撐—開(kāi)挖至7.5m—加第二道支撐—開(kāi)挖至13.5m—加第三道支撐—開(kāi)挖至18.5m—加第四道支撐—開(kāi)挖至23.5m(基底)—拆除第四道支撐。
各道支撐安裝完成后,立即施加預(yù)加軸力。因論文取1根樁(間距為2.2m)進(jìn)行計(jì)算分析,所以應(yīng)按支撐水平間距(3.5m)對(duì)支撐施加軸力進(jìn)行折減,折減比為2.2/3.5=0.63。計(jì)算模型中預(yù)加軸力取值自上而下依次為40kN、200kN、350kN、350kN。
選取的計(jì)算模型近似于基坑長(zhǎng)邊中部的圍護(hù)樁及樁周土體,所以計(jì)算結(jié)果與基坑長(zhǎng)邊中部的圍護(hù)樁的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析(圖3、圖4)。
圖3 樁身水平位移計(jì)算結(jié)果
圖4 樁身水平位移實(shí)測(cè)結(jié)果
計(jì)算結(jié)果表明:在開(kāi)挖第一層土體(工況2)后,由于及時(shí)加撐并施加預(yù)加軸力,使得樁頂發(fā)生向坑外方向的水平位移,隨著開(kāi)挖深度的增大和支撐的設(shè)置,樁頂位移不會(huì)明顯增大,樁身中部向坑內(nèi)凸出,樁身最大水平位移也相應(yīng)地逐漸下移,開(kāi)挖至基坑底部時(shí),最大水平位移發(fā)生于樁頂以下約16.0m處,其位移計(jì)算值約32.0mm。
比較計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的樁身水平位移曲線,形狀較為相似,呈“鼓肚”形狀,計(jì)算與實(shí)測(cè)的樁身最大水平位移及發(fā)生位置較為接近??傮w而言,計(jì)算結(jié)果所反映的圍護(hù)樁的變形趨勢(shì)與實(shí)際較為吻合。
在實(shí)際系統(tǒng)中,由于決定系統(tǒng)各參數(shù)是不同的物理量單位,為了比較敏感程度的大小,經(jīng)常要進(jìn)行無(wú)量綱化處理,繪制ΔF/F*~Δxi/xi*(i=1,2,3,…)曲線,該曲線的斜率絕對(duì)值定義為參數(shù)敏感性函數(shù):
αi=|ΔF/F*|/|Δxi/xi*|,(i=1,2,3,…n)
參數(shù)敏感度函數(shù)可以比較系統(tǒng)特性對(duì)各參數(shù)的敏感程度,敏感度函數(shù)值越大,系統(tǒng)特性對(duì)該參數(shù)越敏感。
為簡(jiǎn)化計(jì)算,假設(shè)基坑開(kāi)挖土體為單一土層,即分別按黏性土和砂卵石進(jìn)行計(jì)算。樁端嵌固于泥巖,內(nèi)支撐不施加預(yù)加軸力,模型的其他尺寸和參數(shù)與實(shí)際工程一致,統(tǒng)一以基坑開(kāi)挖至底部這一工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。
設(shè)定基準(zhǔn)狀態(tài)X*=(x1*,x2*,x3*)=(E,c,φ),系統(tǒng)特征F*=f(X*)=(E,c,φ)。基準(zhǔn)值F*=(8,35,16°)。即以基坑開(kāi)挖土層參數(shù)分別為E=8MPa、c=35kPa、φ=16°時(shí)計(jì)算得到樁體的最大彎矩值、最大水平位移值作為基準(zhǔn)值,分析基坑圍護(hù)樁的變形和內(nèi)力對(duì)上述三個(gè)參數(shù)的敏感程度(表2)。
表2 黏性土土層參數(shù)敏感性分析計(jì)算
圖5 樁身最大水平位移-土層參數(shù)變化率關(guān)系
圖6 樁身最大彎矩-土層參數(shù)變化率關(guān)系
由圖5、圖6的曲線斜率絕對(duì)值的大小可以判斷:基坑開(kāi)挖土層均為黏性土?xí)r,圍護(hù)樁的變形及內(nèi)力對(duì)上述3個(gè)土層參數(shù)的敏感程度大小是φ>c>E。
設(shè)定基準(zhǔn)狀態(tài)X*=(x1*,x2*,)=(E,φ),系統(tǒng)特征F*=f(X*)=(E,φ)?;鶞?zhǔn)值F*=(55, 35°)。即以基坑開(kāi)挖土層參數(shù)分別為E=55MPa、φ=35°時(shí)計(jì)算得到樁體的最大彎矩值、最大水平位移值作為基準(zhǔn)值,分析基坑圍護(hù)樁的變形和內(nèi)力對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)的敏感程度(表3)。
表3 砂卵石土體參數(shù)敏感性分析計(jì)算
圖7 樁身最大水平位移-土層參數(shù)變化率關(guān)系
圖8 樁身最大彎矩-土層參數(shù)變化率關(guān)系
由圖7、圖8的曲線斜率絕對(duì)值的大小可以判斷:基坑開(kāi)挖土層均為砂卵石時(shí),圍護(hù)樁的變形及內(nèi)力對(duì)上述2個(gè)土層參數(shù)的敏感程度大小是φ>E。
由表4、表5可知:土層剛度、強(qiáng)度對(duì)樁體內(nèi)力和變形具有較大的影響,尤其是土體內(nèi)摩擦角的影響更大,所以在工程實(shí)際中,對(duì)上述參數(shù)的合理取值相當(dāng)重要,如果取值偏小,將導(dǎo)致設(shè)計(jì)保守。另外,黏性土的彈性模量和內(nèi)摩擦角對(duì)樁體內(nèi)力和變形的影響程度明顯大于砂卵石。
表4 黏性土土層參數(shù)對(duì)樁體內(nèi)力和變形的影響
表5 砂卵石土層參數(shù)對(duì)樁體內(nèi)力和變形的影響
(1)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,并與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析,數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)參數(shù)準(zhǔn)確性依賴較大,參數(shù)選取不合理可能造成與實(shí)際差異較大。
(2)以上對(duì)于土層參數(shù)敏感性分析可以看出,對(duì)于排樁支護(hù)結(jié)構(gòu),圍護(hù)樁變形及內(nèi)力影響最大的參數(shù)是土體的內(nèi)摩擦角,因此在設(shè)計(jì)計(jì)算中,確定合理的土體內(nèi)摩擦角至關(guān)重要。
(3)對(duì)于黏性土地層,圍護(hù)樁的變形及內(nèi)力對(duì)土體剛度、強(qiáng)度參數(shù)的敏感程度大小分別為φ>c>E;對(duì)于砂卵石地層,則為φ>E。另外,黏性土的E和φ對(duì)圍護(hù)樁的變形及內(nèi)力的影響程度大于砂卵石。