李 君，呂文龍，溫世聰，沈仁良，范 昊，王 凱

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州 510500；2、廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 510006）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地資源成為當(dāng)今最緊缺的資源之一，為了高效地利用有限的土地資源，人們開(kāi)始對(duì)原本的閑置用地重新規(guī)劃建設(shè)。但這些空地附近往往伴隨有各種既有的建筑、結(jié)構(gòu)，施工必然會(huì)對(duì)這些建筑、結(jié)構(gòu)造成一定程度的影響。因此，施工前對(duì)其周邊建筑、結(jié)構(gòu)等的影響進(jìn)行分析是必不可少的重要環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者通過(guò)大量工程實(shí)踐，運(yùn)用數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、理論計(jì)算等方式，對(duì)于施工給周邊建筑、結(jié)構(gòu)造成的影響進(jìn)行分析，并且已經(jīng)有許多可觀的研究成果［3-10］。

王俊等人［11］針對(duì)大面積基坑開(kāi)挖與高層建筑施工對(duì)下臥地鐵隧道的不利影響，提出地鐵隧道與上部建筑“結(jié)構(gòu)分離”的設(shè)計(jì)思路；曾支明等人［12］以南昌地鐵2 號(hào)線(xiàn)南延段市民中心站上方道路施工為實(shí)例，采用MIDAS軟件進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算、分析道路施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)變形的影響。張雷等人［13］使用有限元數(shù)值計(jì)算，比較分析了新建路浦西段工程中，不同寬度的深基坑施工對(duì)臨近建筑物的影響。本文結(jié)合廣東省茂名市化州市某項(xiàng)目電梯、智能立體車(chē)庫(kù)工程，采用單元分析法和有限元整體分析法，研究施工前后和施工過(guò)程中對(duì)周邊擋土墻造成的影響。

1 工程概況

擬建工程場(chǎng)地現(xiàn)狀為空地，地表略有起伏，項(xiàng)目建設(shè)用地面積2 623.16 m2，擋土墻位于擬建智能立體停車(chē)庫(kù)西南邊，全長(zhǎng)約158 m，其中包括A～N段約143 m，O～P 段約15 m，距離擬建智能立體車(chē)庫(kù)約24～32 m。電梯設(shè)置在擋土墻OP 與AB 段交界處。擋土墻、擬建電梯及智能立體車(chē)庫(kù)等位置關(guān)系如圖1所示。西側(cè)車(chē)庫(kù)到擋土墻的最近距離約為23 m。電梯位于AB擋土墻與OP 擋土墻交匯處，電梯井向下開(kāi)挖1.5 m，設(shè)置4根灌注樁。

圖1 工程位置關(guān)系Fig.1 Project Location

2 單元分析法

根據(jù)相關(guān)工程資料及需求，分成施工前后兩種工況，模擬車(chē)庫(kù)及電梯井基坑施工對(duì)擋土墻的影響，停車(chē)庫(kù)荷載通過(guò)不同深度處樁基的側(cè)摩阻力模擬。荷載計(jì)算到坡/坑底，計(jì)算深度為11 m，分段計(jì)算荷載施加，選取荷載最不利鉆孔，其中0～1.6 m 為粉質(zhì)黏土，其下為砂質(zhì)黏土，模型土體參數(shù)如表1所示，荷載選取計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 模型土體相關(guān)參數(shù)Tab.1 Model Soil-related Parameters

表2 荷載選取計(jì)算結(jié)果Tab.2 Load Selection Computing Results

由表1 計(jì)算結(jié)果可知，東側(cè)車(chē)庫(kù)計(jì)算所得荷載較大，取其作為實(shí)際施加在模型上的荷載。

2.1 智能立體車(chē)庫(kù)施工對(duì)AB、CD段擋土墻影響分析

2.1.1 計(jì)算模型建立

采用理正深基坑軟件建立力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算分析。AB 段擋土墻共有3 層土層，第一層為厚10.70 m的粘性土，第二層為厚8.00 m 的粘性土，第三層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖；基坑深度為11.00 m，排樁直徑為1.20 m，間距為3.00 m，嵌固深度為9.00 m；錨索為2束1×17.8 mm鋼絞線(xiàn)，極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 720 MPa，第一道錨索距離坡頂2.00 m，自由段為9.00 m，錨固段為12.50 m。第二道錨索距離坡頂5.00 m，自由段為7.00 m，錨固段為12.50 m。第三道錨索距離坡頂8.00 m，自由段為5.50 m，錨固段為10.50 m。錨索橫向和豎向間距均為3 m；地下水位設(shè)在距離坡頂12.00 m 處，施工后擋土墻計(jì)算模型如圖2 所示（施工前模型僅荷載與其不同），荷載施加如表3所示。

圖2 施工后AB段擋土墻計(jì)算模型Fig.2 Calculation Model of Retaining Wall after AB Section Construction （cm）

表3 AB段施工前后荷載施加方式Tab.3 Load Application before and after Construction in Section AB

CD段擋土墻模型共有3層土層，第一層為14.12 m厚的粘性土，第二層為9.40 m厚的粘性土，第三層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其他數(shù)據(jù)與AB段相類(lèi)似，在此不再贅述。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果

智能立體車(chē)庫(kù)的施工對(duì)AB 段、CD 段擋土墻影響分析計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 智能立體車(chē)庫(kù)的施工對(duì)AB段、CD段擋土墻影響分析計(jì)算結(jié)果Tab.4 Analysis and Calculation Results of the Influence of the Construction of the Intelligent Three-dimensional Garage on the Retaining Walls of the AB and CD Sections

經(jīng)對(duì)比，AB段與CD段抗隆起安全系數(shù)略有減小，但仍滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1］要求，其余位移及各項(xiàng)安全系數(shù)等指標(biāo)無(wú)變化，車(chē)庫(kù)新增荷載不影響擋土墻結(jié)構(gòu)安全。

2.2 電梯井基坑施工對(duì)AB、OP段擋土墻影響分析

2.2.1 計(jì)算模型建立

電梯井基坑施工的AB、OP段模型信息，除在坡底加挖1.5 m 電梯井基坑及在電梯井坑頂增加支撐外，其余設(shè)計(jì)參數(shù)與上文中智能立體車(chē)庫(kù)施工AB 段參數(shù)完全相同，支撐剛度為200 MN/m。頂面施加5 kN/m2的荷載，支護(hù)模型如圖3所示。

圖3 設(shè)電梯井擋土墻加撐支護(hù)模型Fig.3 Bracing Model of Retaining Wall with Elevator Shaft （m）

2.2.2 結(jié)算結(jié)果

電梯井基坑的施工對(duì)AB 段、OP 段擋土墻影響分析計(jì)算結(jié)果如表5所示。

從表5計(jì)算結(jié)果可以看到，考慮加設(shè)1.5 m電梯井基坑后，OP 段與通過(guò)加撐設(shè)置后的AB 段位移及各項(xiàng)安全系數(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足基坑文獻(xiàn)［2］要求。電梯井基坑挖開(kāi)不影響AB段及OP段擋土墻結(jié)構(gòu)安全。

表5 電梯井基坑的施工對(duì)AB段、OP段擋土墻影響分析計(jì)算結(jié)果Tab.5 Analysis and Calculation Results of the Influence of the Construction of the Elevator Shaft Foundation Pit on the Retaining Walls of the AB Section and OP Section

3 有限元整體分析法

3.1 有限元模型

根據(jù)停車(chē)場(chǎng)周?chē)耐馏w結(jié)構(gòu)以及設(shè)立的擋土墻之間的空間立體關(guān)系以及工程施工特點(diǎn)，使用MIDAS/GTS 軟件建立三維有限元模型。模型中停車(chē)場(chǎng)的支護(hù)情況以及上部荷載的施加情況的工況示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 開(kāi)挖面及擋土墻三維網(wǎng)格Fig.4 3D Grid of Excavation Surface and Retaining Wall

圖5 錨索及樁的布置Fig.5 Layout of the Anchor Cable and the Pile

三維有限元計(jì)算模型的邊界條件為模型底部全約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。計(jì)算中不同的材料采用不同的本構(gòu)模型，將模型中的土體視為彈塑性體，采用摩爾-庫(kù)倫模型，采用實(shí)體單元模擬；擋土墻結(jié)構(gòu)及錨索結(jié)構(gòu)均采用各向同性彈性模型。各地層參數(shù)按照地勘報(bào)告給出的數(shù)據(jù)選取。停車(chē)場(chǎng)與電梯井每根樁設(shè)定1 000 kN 集中力，基礎(chǔ)面設(shè)立10 kN/m2的活荷載。電梯井向下開(kāi)挖1.5 m，具體參數(shù)取值如表6所示。

表6 材料參數(shù)取值Tab.6 Values of Material Parameters

3.2 有限元模型的計(jì)算結(jié)果

3.2.1 擋土墻水平位移

有限元整體分析位移結(jié)果表明：擋土墻結(jié)構(gòu)的X向最大位移為14.2 mm，Y向最大位移為12.5 mm，均小于文獻(xiàn)［1］要求的30 mm，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 擋土墻結(jié)構(gòu)位移Fig.6 Displacement of the Retaining Wall Structure（mm）

3.2.2 錨索軸力

如表7所示，AB段擋土墻錨索拉力最大值出現(xiàn)在第一道錨索，為229 kN，CD 段擋土墻錨索拉力最大值出現(xiàn)在第三道錨索，為234 kN，OP 段擋土墻錨索拉力最大值出現(xiàn)在第一道錨索，為248 kN，AB、CD 段擋土墻及OP段擋土墻錨索云圖如圖7所示。

表7 錨索軸力Tab.7 Anchor Cable Axial Force （kN）

圖7 擋土墻錨索軸力Fig.7 Axial Force of Retaining Wall Anchor Cable（N）

由以上計(jì)算可知，增設(shè)停車(chē)庫(kù)后及開(kāi)挖電梯井基坑后，擋土墻錨索的安全系數(shù)有微小變化，但變化幅度在5%以?xún)?nèi)，可以認(rèn)為不影響擋土墻錨索的安全。

3.2.3 擋土墻承載力

表8 為AB、CD 段及OP 段擋土墻內(nèi)力最大值及配筋復(fù)核結(jié)果。AB、CD段擋土墻及OP段擋土墻的應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示。

表8 擋土墻內(nèi)力最大值及配筋復(fù)核結(jié)果Tab.8 Maximum Internal Force of Retaining Wall and Recheck Result of Reinforcement

圖8 擋土墻結(jié)構(gòu)的正應(yīng)力Fig.8 Normal Stress of Retaining Wall Structure（N/mm2）

圖9 擋土墻結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力Fig.9 Shear Stress of Retaining Wall Structure（N/mm2）

由以上計(jì)算可知，增設(shè)停車(chē)庫(kù)后及開(kāi)挖電梯井基坑后，擋土墻計(jì)算配筋小于實(shí)際配筋，擋土墻承載力滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1］要求。

4 結(jié)論

綜合施工場(chǎng)地的工程地質(zhì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)資料，依據(jù)所開(kāi)展的系列單元分析以及有限元整體分析結(jié)果，得到如下結(jié)論：

⑴單元分析結(jié)果表明，新增停車(chē)庫(kù)荷載后，AB段、CD 段擋土墻的抗隆起安全系數(shù)略有減小，但仍滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1］要求，其余位移及各項(xiàng)安全系數(shù)等指標(biāo)無(wú)變化，新增停車(chē)庫(kù)荷載不影響AB 段、CD 段擋土墻結(jié)構(gòu)的安全。

⑵單元分析結(jié)果表明，在電梯井基坑頂加設(shè)支撐后，AB 段及OP 段擋土墻的位移及各項(xiàng)安全系數(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足基坑文獻(xiàn)［2］要求，電梯井基坑挖開(kāi)不影響AB段及OP段擋土墻結(jié)構(gòu)安全。

⑶有限元整體分析結(jié)果表明，新增停車(chē)庫(kù)荷載及開(kāi)挖電梯井基坑后，擋土墻結(jié)構(gòu)的最大水平位移為14.2 mm，小于文獻(xiàn)［1］限值30 mm，滿(mǎn)足要求；擋土墻錨索安全系數(shù)變化極小，在5%以?xún)?nèi)；擋土墻承載力滿(mǎn)足文獻(xiàn)［1］要求。新增停車(chē)庫(kù)荷載及開(kāi)挖電梯井基坑不影響AB段、CD段及OP段擋土墻結(jié)構(gòu)安全。