謝曉風(fēng)，華建兵，2

(1.安徽理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 前 言

隨著中國(guó)的城市化發(fā)展，節(jié)能減排和碳中和成為了當(dāng)前的主要任務(wù)。而目前大部分建筑設(shè)計(jì)只考慮了排樁的擋土功能而沒(méi)有考慮高壓旋噴樁止水帷幕的擋土作用，造成了鋼筋、水泥的浪費(fèi)，不符合當(dāng)前的“十四五”規(guī)劃綱要中提出“推動(dòng)綠色發(fā)展，促進(jìn)人與自然和諧共生”的要求。所以在考慮安全性的前提下，節(jié)省材料也成了首要任務(wù)。本文以安徽省宿州市埇橋區(qū)某大型基坑項(xiàng)目為基礎(chǔ)，利用plaxis2D軟件建立有限元模型。分析了在實(shí)際工程中高壓旋噴樁止水帷幕不同寬度和深度情況下排樁支護(hù)水平位移的變化。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目擬建地點(diǎn)位于安徽省宿州市埇橋區(qū)，火車(chē)站鐵路以東，沱河以南，港口路以西，道東大街以北，項(xiàng)目基地西側(cè)與宿州站站房相臨，最小距離為9 m，站房同期建設(shè)，本工程為宿州東站站前廣場(chǎng)改造工程，地下基坑長(zhǎng)196 m，寬150 m，深度為5 m。考慮到基坑南側(cè)擬建勝利路下穿隧道(同期施工)西側(cè)為新建宿州站站房(同期施工)，基坑南側(cè)、西側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按二級(jí)考慮，其余地區(qū)周邊環(huán)境條件相對(duì)較好，基坑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)按三級(jí)考慮。

1.2 水文地質(zhì)條件

施工場(chǎng)地空曠，地勢(shì)較為平坦，場(chǎng)地內(nèi)堆有大量雜填土、雜草等。擬建場(chǎng)區(qū)無(wú)大的區(qū)域構(gòu)造、活動(dòng)斷裂等，屬于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造比較穩(wěn)定地區(qū)。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 有限元模型建立的一些基本假定

土體硬化模型(HS模型)是假設(shè)土體的卸載再加載是彈性形變[4]。但實(shí)際工程中土體不可能是完全彈性的，完全彈性只能應(yīng)用于應(yīng)變處于非常小的時(shí)候。當(dāng)應(yīng)變逐漸變大時(shí)。土體的剛度會(huì)變?yōu)榉蔷€性。而小應(yīng)變土體硬化模型[5](HSS模型)繼承了土體硬化模型的優(yōu)點(diǎn)，又在此基礎(chǔ)上增加了G0ref和γ0.7，來(lái)顯示小應(yīng)變剛度即初始小應(yīng)變模量G0ref和剪切應(yīng)變水平γ0.7(割線模量Gs減小為原來(lái)的70%)，土層參數(shù)如表1所示。

表1 各土層HSS本構(gòu)模型參數(shù)表

2.2 幾何模型的建立

鉆孔灌注樁組成的排樁結(jié)構(gòu)采用板單元來(lái)模擬，采用等效剛度原則[6]，將排樁結(jié)構(gòu)等效為剛度相同的板結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

本模型采用15節(jié)點(diǎn)單元，進(jìn)行計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分，共劃分為9 037個(gè)單元，73 037個(gè)節(jié)點(diǎn)。土體采用二維單元，斜支撐采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元，并同時(shí)采用線彈性本構(gòu)模型，地下連續(xù)墻采用板單元。模型建立區(qū)域通常為開(kāi)挖深度的3～5倍，因此采取265 m×25 m。模型截?cái)噙吔鐚?duì)模型的影響可忽略不計(jì)。因?yàn)橥两Y(jié)構(gòu)相互作用界面比土體之間相互作用小，故Rinter強(qiáng)度折減系數(shù)取0.7。基坑的開(kāi)挖使用plaxis2D的凍結(jié)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)選定模型進(jìn)行真實(shí)開(kāi)挖進(jìn)程的模擬，分別對(duì)不同高壓旋噴樁止水帷幕的寬度和深度兩種工況下的變形進(jìn)行計(jì)算比較。

3.1 止水帷幕寬度對(duì)排樁水平位移的影響

通過(guò)plaxis2D模型分析以下5種情況：使用高壓旋噴樁深度為18.8 m,彈性模量為200 MPa，高壓旋噴樁之間搭接長(zhǎng)度為200 mm，高壓旋噴樁寬度分別設(shè)置為D=0 m，D=0.8 m，D=1.35 m，D=1.9 m，D=2.45 m，提取出排樁樁身水平位移的數(shù)值，進(jìn)行比對(duì)。將數(shù)值導(dǎo)入origin軟件制成圖1。

圖1 止水帷幕寬度D對(duì)排樁水平位移的影響

將圖1的最大位移進(jìn)行比較可得到表3。

表3 排樁頂部位移減小率和止水帷幕寬度的關(guān)系

由圖1和表3可見(jiàn)清晰地看出，隨著止水帷幕寬度的增加，排樁水平位移在減小，特別是不加止水帷幕和加了止水帷幕之間位移減小率差別最大，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)考慮止水帷幕的阻擋水土壓力的作用。

3.2 不同止水帷幕深度對(duì)排樁水平位移的影響

使用寬度D=1.35 m，彈性模量為200 MPa，使用不同的高壓旋噴樁深度進(jìn)行模擬，深度分別設(shè)置為h=16 m，h=18 m，h=20 m，h=22 m，h=24 m,plaxis2D軟件模擬5種情況如圖2所示。

圖2 止水帷幕深度h對(duì)排樁水平位移的影響

將圖2的最大水平位移進(jìn)行比較整理得出表4。

表4 排樁頂部位移減小率和止水帷幕深度的關(guān)系

由表4可以看出隨著止水帷幕深度的增加排樁的水平位移逐漸減小，所以工程中可以適當(dāng)增加止水帷幕深度來(lái)減小排樁支護(hù)的水平位移。同時(shí)可見(jiàn)深度在20～22 m中存在一個(gè)最合理值來(lái)減小排樁的水平位移。

4 結(jié) 論

使用plaxis2D軟件建立有限元模型，通過(guò)分析了不同寬度、深度的止水帷幕對(duì)排樁水平位移的影響并且對(duì)實(shí)際工程中有無(wú)止水帷幕與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)樁頂水平位移的變化可以得出結(jié)論。

1)止水帷幕和排樁組合結(jié)構(gòu)中，止水帷幕可以協(xié)助排樁結(jié)構(gòu)阻擋水土壓力。

2)隨著止水帷幕寬度的增加，排樁的水平位移逐漸減小，說(shuō)明止水帷幕對(duì)排樁周?chē)乃翂毫Υ_實(shí)存在著阻擋作用。

3)隨著止水帷幕深度的增加，排樁支護(hù)的水平位移逐漸減小，并且對(duì)此工程存在一個(gè)最佳止水帷幕深度。

4)由于設(shè)計(jì)的排樁結(jié)構(gòu)的剛度過(guò)大，不能完全發(fā)揮止水帷幕的擋土功能。

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