卜飛

（山西省勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030013）

0 引言

基坑工程一直以來(lái)都是一個(gè)受到廣泛關(guān)注與研究的熱點(diǎn)課題，也是一個(gè)專業(yè)性和綜合性都較強(qiáng)的難題，其主要和巖土工程和結(jié)構(gòu)工程的內(nèi)容相關(guān)。

伴隨著時(shí)代的進(jìn)步，基坑支護(hù)的結(jié)構(gòu)形式也是多種多樣?；咏Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面臨兩大問(wèn)題，一個(gè)是安全性問(wèn)題：基坑施工中的事故屢見(jiàn)不鮮，其根本原因是，理論與實(shí)際差距，理論對(duì)實(shí)際工程的指導(dǎo)意義較差；另一個(gè)是經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題：實(shí)際工程中，為了確保基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，造價(jià)往往會(huì)很高，存在浪費(fèi)資源和降低效益的情況。也就是說(shuō)，目前基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在較多不合理的地方，必須加強(qiáng)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)選工作，其意義重大[1]。

1 工程概況

擬建建筑物為醫(yī)院綜合樓，地下三層，其基坑底標(biāo)高768.780m，場(chǎng)地地面標(biāo)高784.780m左右，基坑深度為16.0m。

1.1 周邊環(huán)境條件

基坑北側(cè)為醫(yī)院現(xiàn)有辦公樓，地上6層，地下1層，基坑上口距辦公樓10m，辦公樓與基坑之間為2層鍋爐房、CT室；西側(cè)為太原市公證處辦公樓，地上6層，地下1層，基坑上口距辦公樓8～10m；南側(cè)為天平東巷，路南為山西省機(jī)械進(jìn)出口公司辦公樓，地上7層，地下1層，基坑上口距辦公樓18.7m；東側(cè)緊鄰26層高層住宅樓，地下1層，基坑上口距圍墻3.0m，距建筑物10.0m[2-3]。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)野外鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，在基坑深度相關(guān)范圍內(nèi)場(chǎng)地地基土自上而下如表1所示。

表1 地質(zhì)情況

1.3 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地地下水類型為潛水及承壓水。第3層粉質(zhì)黏土以上為潛水，主要含水層為第1層雜填土和第2層粉土，主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給及地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，勘探期間測(cè)得場(chǎng)地潛水穩(wěn)定水位埋深在現(xiàn)地面下1.65～2.00m之間，穩(wěn)定水位標(biāo)高在782.90～783.45m之間。第3層粉質(zhì)黏土以下為承壓水，主要含水層為第4層細(xì)砂、第6層細(xì)砂、第8層細(xì)砂、第10層圓礫、第12層細(xì)砂及第14層細(xì)砂，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水由東向西向下游徑流，最終排向汾河?？碧狡陂g測(cè)得場(chǎng)地承壓水穩(wěn)定水位埋深較場(chǎng)地潛水穩(wěn)定水位埋深低約1.5m，承壓水穩(wěn)定水位標(biāo)高在781.40～781.95m之間?？辈炱陂g為枯水期[4]。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

該工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用“樁撐”結(jié)構(gòu)形式，本節(jié)對(duì)方案優(yōu)選和結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行分析。

2.1 支護(hù)方案優(yōu)選

由于本方案已擬定采用“樁撐”支護(hù)結(jié)構(gòu)，所以通過(guò)優(yōu)選支護(hù)樁的直徑以及優(yōu)選支護(hù)樁的樁長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行支護(hù)樁的優(yōu)選設(shè)計(jì)，具體優(yōu)選結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)方案優(yōu)化表

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，如果是安全等級(jí)為一級(jí)的深基坑工程，基坑周邊的地表沉降應(yīng)在25～35mm的區(qū)間內(nèi)。在對(duì)于基坑抗隆起安全系數(shù)的計(jì)算中，普朗德?tīng)柟接?jì)算得到的抗隆起安全系數(shù)不應(yīng)小于1.10，太沙基公式計(jì)算得到的抗隆起安全系數(shù)不應(yīng)小于1.15。嵌固深度安全系數(shù)不應(yīng)小于1.30。根據(jù)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)原則，綜合得出“樁撐”結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案，即：支護(hù)樁直徑為1m，樁嵌固深度為7m。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)最優(yōu)支護(hù)方案，基坑支護(hù)平面如圖1所示。

2.2.1 支護(hù)樁

支護(hù)樁采用混凝土灌注樁，樁徑900mm，樁長(zhǎng)33m/29m，樁間距1.3m，樁頂標(biāo)高783.78m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。支護(hù)樁頂設(shè)冠梁，梁寬1200mm，高1000mm。樁受力主筋混凝土保護(hù)層厚度50mm。支護(hù)樁截面圖2所示。

2.2.2 支撐

基坑采用三道混凝土支撐，內(nèi)支撐中心線標(biāo)高為783.280m/777.08m/772.48m。支撐梁與支護(hù)灌注樁之間設(shè)腰梁，支撐各支點(diǎn)設(shè)鋼格構(gòu)柱，水平面設(shè)聯(lián)系梁。主支撐采用1000mm×950mm/1100mm×950mm 混凝土支撐，聯(lián)系桿為500mm×600mm 混凝土梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35。腰梁截面尺寸為1000mm×1400mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35。鋼格構(gòu)柱邊長(zhǎng)為480mm，采用4L180mm×18mm，立柱下端插入鉆孔灌注樁內(nèi)3.0m，采用灌注樁基礎(chǔ)，樁徑900mm，混凝土標(biāo)號(hào)C30[5]。

2.2.3 冠梁

灌注樁頂均設(shè)冠梁，寬度為1200mm；灌注樁樁頂嵌入冠梁50mm，樁縱筋錨至冠梁頂。保護(hù)層厚度為35mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工步驟如下：

（1）確定施工攪拌樁和灌注樁的樁位；

（2）第一次土方開(kāi)挖，開(kāi)挖至標(biāo)高782.780m；

（3）施工第一道混凝土支撐；

（4）第二次土方開(kāi)挖，開(kāi)挖至標(biāo)高776.580 m；

（5）施工第二道混凝土支撐；

（6）第三次土方開(kāi)挖，開(kāi)挖至標(biāo)高771.980 m；

（7）施工第三道混凝土支撐；

（8）第四次土方開(kāi)挖，開(kāi)挖至標(biāo)高768.780 m；

（9）施工基礎(chǔ)，回填槽，做傳力帶，然后拆除第三道支撐；

（10）施工地下三層，回填槽，施作傳力帶；

（11）施工立柱之間換撐拉桿，然后拆除第二道支撐；

（12）施工地下二層，回填槽，施作傳力帶，然后拆除第一道支撐。

3 有限元模擬分析

采用有限元分析軟件MIDAS進(jìn)行數(shù)值模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用beam單元，土體采用3D-solid的進(jìn)行數(shù)值模擬，模型中設(shè)置了生死單位，依據(jù)施工的工序?qū)ο鄳?yīng)單元進(jìn)行“激活”或“殺死”。根據(jù)實(shí)際情況，在基坑周邊設(shè)置了建筑物以及相應(yīng)荷載。模型的平面見(jiàn)圖4所示，模型的3D模型見(jiàn)圖5所示[1]。

圖4 模型平面圖

圖5 基坑有限元模型

3.1 樁身插入比對(duì)支護(hù)樁的影響

插入比是指，樁身在基坑地面以下的長(zhǎng)度與基坑開(kāi)挖深度之比，通常用1/H表示。

通過(guò)有限元分析對(duì)比選出樁身插入比的最優(yōu)值。在保持樁身其他條件不變的情況下，只改變樁身的插入比，選取插入比為0.3/0.5/0.7和1.0進(jìn)行分析，具體工況見(jiàn)表3所示。

表3 樁身插入比模擬工況

通過(guò)有限元分析，提取不同工況下的樁身水平位移，并繪制樁身水平位移曲線圖，如圖6所示。

圖6 不同樁身插入比條件下樁體的水平位移

由圖6可知，4種工況下，樁身的上半部分沒(méi)有明顯的區(qū)別，但是樁身的下半部分特別是樁底部分對(duì)樁身插入比較為敏感。其中，插入比從0.3變至1.0時(shí)，樁底的水平位移由7.98mm變化到16.21mm，變化十分明顯，變化率達(dá)到50.8%。由此不難發(fā)現(xiàn)，樁身插入比對(duì)于整個(gè)樁身的影響不明顯，提高樁身插入比對(duì)于整個(gè)樁來(lái)說(shuō)意義不大，并且造價(jià)會(huì)增加很多。

通過(guò)有限元分析，提取不同工況下的樁身彎矩，并繪制樁身彎矩曲線圖，具體如圖7所示。

圖7 不同樁身插入比條件下樁體的彎矩

由圖7可知，在4種工況下，樁身的上部分彎矩沒(méi)有明顯的變化，但是在樁底部樁身彎矩的區(qū)別很大，變化極其明顯。其原因是當(dāng)樁身插入比小的時(shí)候，也就是樁的嵌固深度較小時(shí)，樁受到的被動(dòng)土壓力小。當(dāng)插入比越來(lái)越大時(shí)，增大了樁身的嵌固深度，也增大了樁身承受被動(dòng)土壓力的上限，使得樁底變化變小了。

由此可知，當(dāng)樁身插入比小時(shí)，樁底的變化大，樁身不穩(wěn)定。當(dāng)樁身插入比太大時(shí)，樁底的變化很小，但是會(huì)造成造價(jià)提高，浪費(fèi)材料。綜合上述結(jié)果及考慮到工程造價(jià)等因素，選擇工況2為最優(yōu)方案。

3.2 樁截面尺寸對(duì)支護(hù)樁的影響

為了樁截面尺寸對(duì)支護(hù)樁的影響，在保持樁身其他條件不變的情況下，只改變樁截面直徑，選擇樁截面直徑為600mm、800mm、1000mm、1200mm 和1400mm 的5 種工況進(jìn)行分析，具體工況見(jiàn)表4所示。

表4 樁截面尺寸模擬工況

通過(guò)有限元分析，提取不同工況下的樁身彎矩，并繪制樁身彎矩曲線圖，具體如圖8所示。

圖8 不同樁截面直徑下樁體的彎矩

由圖8可知，樁截面尺寸的變化對(duì)樁身的彎矩有明顯的影響。隨著樁截面的增大，樁身彎矩逐漸降低。在截面直徑為600～800mm時(shí)，樁身彎矩隨截面直徑的變化明顯，當(dāng)直徑大于800mm時(shí)，彎矩變化減小。對(duì)比工況1和工況5可得，樁的正彎矩變化了168.3%，樁的負(fù)彎矩變化了165.5%。其原因是隨著樁截面的增大，樁身的整體剛度在逐漸加大，在樁身受到壓力不變的情況下，樁的彎矩和水平位移也在降低。

綜合以上分析，樁截面的尺寸對(duì)樁身的彎矩有明顯影響，雖然樁截面的增大會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)更安全，但是會(huì)給施工帶來(lái)困難，導(dǎo)致工程造價(jià)增加，工程材料會(huì)有大量的浪費(fèi)。所以考慮到以上所有因素，選擇直徑為1000mm的支護(hù)樁最為合理。

4 結(jié)束語(yǔ)

以實(shí)際工程為研究背景，對(duì)“樁撐”結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，優(yōu)選出本方案的支護(hù)樁截面和樁的嵌固深度。主要得出了以下結(jié)論：

（1）樁的插入比對(duì)樁下部的水平位移和樁的彎矩有明顯影響。當(dāng)樁身插入比小時(shí)，樁底的變化大，樁身不穩(wěn)定。當(dāng)樁身插入比太大時(shí)，樁底的變化很小，但是會(huì)造成造價(jià)提高，浪費(fèi)材料。插入比0.5為較優(yōu)選擇。

（2）樁的截面尺寸對(duì)樁的彎矩有明顯影響。雖然樁截面的增大會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)更安全，但是會(huì)給施工帶來(lái)困難，增加工程造價(jià)，浪費(fèi)工程材料。