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        樁錨支護結(jié)構(gòu)失效后的基坑工程加固設(shè)計

        2023-10-17 08:25:48徐德軍
        廣東建材 2023年10期
        關(guān)鍵詞:承載力水平設(shè)計

        徐德軍

        (珠海市橫琴新區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司)

        0 前言

        隨著我國建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展,各個城市的高層建筑大量涌現(xiàn),伴隨出現(xiàn)了深基坑工程。而基坑支護是一項臨時性工程,認為地下室完工,基坑支護的任務(wù)就宣告結(jié)束。所以,基坑支護往往不被人們重視,事故頻頻發(fā)生?;酉嚓P(guān)的巖土問題日益增多,基坑開挖引發(fā)的工程事故也屢見不鮮[1]。目前,對于基坑二次加固設(shè)計的研究還較少,有必要對這方面進行深入研究,以利于基坑支護設(shè)計的經(jīng)濟合理、安全可靠[2]。本文從某一典型基坑支護入手,分析其失效原因,并提出了加固設(shè)計方法,為類似基坑加固工程提供參考。

        1 工程概況

        某基坑工程的最大開挖深度10.5m,開挖面積約90000m2,擬建場地為空地,大部分地區(qū)已進行場地整平,場地自然地坪標高499.05~500.75m,相對高差1.70m,屬平坦場地。場地四周無重要建筑物,北面(2~3 層地下室部位)距用地紅線3.00m,用地紅線之外為50m 寬的綠化代征地,東面為已建道路,南面(2 層地下室部位)距用地紅線3.00m,西面(2 層地下室部位)距用地紅線3.00~8.00m。

        擬建場地從上至下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、第四系中下更新統(tǒng)冰水堆積層(Q1+2fgl)和白堊紀灌口組(K2g)。場地土層厚度及參數(shù)具體見表1。

        表1 土層參數(shù)

        場地內(nèi)存在兩種類型的地下水:①賦存于第四系全新統(tǒng)人工填土孔隙中的上層滯水,主要靠大氣降水及地表水供給,僅局部分布,無統(tǒng)一的自由水面,對施工影響不大;②賦存于基巖中的裂隙水,主要靠大氣降水和周邊基巖裂隙水補給,水量較豐富。

        2 原設(shè)計支護方案及支護后效果

        基坑原設(shè)計采用灌注樁與錨索相結(jié)合的樁錨支護結(jié)構(gòu),樁間土采用掛鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土護壁,噴射混凝土厚度80~100mm,混凝土強度等級C20。排樁設(shè)計樁長為13.0~15.0m,錨固段長4.5~5.0m,樁徑1.2m,樁的中距為2.8m。設(shè)計兩排錨索,分別位于樁頂以下4.0m 和基坑底面以上0.5m,布置在兩樁之間,采用腰梁作為聯(lián)系梁。上排錨索長20m,錨固段長13m,下排錨索長13m,錨固段長8m,錨索與水平面夾角為15°。樁頂均設(shè)置冠梁,高800mm,寬1000mm,冠梁與支護樁構(gòu)成平面排架共同作用(見圖1、圖2)。

        圖1 原設(shè)計支護示意圖

        圖2 基坑工程現(xiàn)場

        按照該支護方案開挖至坑底后,位于東側(cè)中部的C11 號監(jiān)測點(見圖3)水平位移累積達到63.4mm,樁頂位移超過警戒值,部分樁間土垮落(見圖2),危及基坑安全,現(xiàn)場對變形大的區(qū)域進行堆土回填,使變形趨于穩(wěn)定。

        圖3 基坑總平面示意圖

        經(jīng)分析總結(jié),誘發(fā)位移過大的主要原因有兩方面:①后期部分地段的地表水滲入土體,軟化基坑外側(cè)的土體,使膨脹土發(fā)生膨脹,產(chǎn)生膨脹土壓力;②基坑外側(cè)局部水位提高,水壓力增大,加大對支護結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力。

        為保證施工順利進行,必須進行加固處理,方能確保基坑安全。

        3 現(xiàn)加固支護方案及加固支護后效果

        經(jīng)補充勘察,地層特性與詳細勘察報告基本一致,因此土層參數(shù)不變。加固設(shè)計擬在坑內(nèi)第1 道錨索高程處設(shè)置斜支撐,通過鋼管斜撐于排樁上,鋼管斜撐與排樁間布置橫向鋼筋混凝土腰梁,鋼管支撐另一端支撐于支撐樁上(見圖4、圖5)。

        圖4 加固設(shè)計正面圖

        圖5 加固設(shè)計側(cè)面圖

        具體設(shè)計思路及步驟如下:

        ⑴原基坑開挖完后,在距排樁樁頂4m 下面每隔8.4m 加1 道斜撐(即3 根樁中加1 個斜撐),設(shè)計斜撐鋼管預(yù)加力為300kN,與水平面成42.3°。通過斜撐提高排樁支護的抗傾覆安全系數(shù)(提高0.2 左右),據(jù)此,由正深基坑軟件計算得出單寬上斜撐需要提供的水平力為100kN。則斜撐需要提供的總水平力為850kN(合計在3 根樁之內(nèi),寬度為8.4m),考慮1.3 的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及斜撐的水平夾角,計算得到斜撐鋼管設(shè)計軸力約為1500kN。

        ⑵根據(jù)斜撐鋼管設(shè)計軸力為1500kN,外徑300mm,按強度公式及2 倍的結(jié)構(gòu)安全系數(shù),以及鋼管長度達到10m,為避免出現(xiàn)壓桿屈曲,最終采用鋼管壁厚為20mm。

        ⑶將錨索、鋼管支撐簡化為預(yù)應(yīng)力彈簧,錨索錨固段和鋼管支撐點(支墩處)設(shè)為固定支座,腰梁采用Ansys 梁單元模擬,樁與腰梁作用處為荷載邊界條件,模擬土壓力通過樁作用在腰梁上,繼而傳遞到斜撐鋼管上。不斷增大樁與腰梁作用點的土壓力,則體系會發(fā)生協(xié)調(diào)變形,錨索伸長,鋼管支撐縮短,彈簧單元上產(chǎn)生彈簧抗力,直到鋼管支撐上的彈簧抗力達到設(shè)計水平軸力,為最終的工作狀態(tài),記錄腰梁的最大彎矩。

        ⑷支撐墩的水平承載力計算。

        3.1 腰梁的有限元模擬計算

        利用Ansys 軟件,采用彈性理論計算腰梁在最終狀態(tài)的最大彎矩。

        3.1.1 Ansys計算模型

        采用600mm×600mm腰梁截面,由Ansys建立二維模型(見圖6)。

        圖6 Ansys單元劃分

        圖中1~42 號單元為梁單元;43、44 單元為端頭錨索;45、46為中間錨索;47為鋼管支撐。

        3.1.2 Ansys計算參數(shù)

        對于錨索:

        第1 排錨索總長度20m,錨固長度13m,自由段7m,錨索由φs15.2mm鋼絞線組成,根據(jù)公式[2]:

        式中:k——剛度系數(shù);δ——柔度系數(shù);

        N——錨索的束數(shù),這里有5束錨索;

        Eg——錨索的彈性模量,鋼絞線1.95 × 105MPa;

        設(shè)計意圖:學生體會艾弗里體外轉(zhuǎn)化實驗的關(guān)鍵設(shè)計思路,進行實驗設(shè)計的技能訓練,培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和縝密的科學思維。

        li——錨索自由段長度,此處為7m;

        As——每束錨索的截面積,d= 15.2mm;

        錨索與水平面夾角15°,中間錨索的水平剛度為:

        k中錨= 1.95 × 107× cos(15°)= 1.884 × 107N/m;

        端頭錨的水平剛度為中間錨的一半,?。?/p>

        k鋼管= 0.942 × 107N/m

        同理,對于鋼管支撐:

        計算得到鋼管支撐的剛度系數(shù)為:

        k鋼管= 1.78 × 108N/m;鋼管支撐與水平面夾角42.3°,鋼管水平剛度為:

        具體參數(shù)如表2~表5。

        表2 腰梁參數(shù)

        表3 端頭錨索參數(shù)

        表4 中間錨索參數(shù)

        表5 鋼管支撐參數(shù)

        3.1.3 模擬結(jié)果

        當樁作用在腰梁上的土壓力為565kN 時,支撐水平軸力達到850.3kN,與設(shè)計的850kN接近,為最終的工作狀態(tài)。此時,腰梁的最大彎矩為483kN·m(見圖7),最大剪力為298kN(見圖8)。根據(jù)最大彎矩和最大剪力配筋計算,最大位移發(fā)生在端頭錨索處向基坑內(nèi),大小為13mm(見圖9)。

        圖7 腰梁彎矩圖

        圖8 腰梁剪力圖

        圖9 腰梁最終位移矢量圖

        3.2 支撐墩的水平承載力計算

        采用理正巖土的彈性地基梁理論進行支撐墩的水平承載力計算。支撐墩長6m,頂部作用850kN的水平作用力,取水平地基系數(shù)k為30MN/m3,計算得到支撐墩墩頂位移為10.7mm,墩頂最大反力為417.33kN/m。根據(jù)橫向受荷樁的計算理論[3],圓樁計算寬度為:

        帶 入 數(shù) 據(jù) 有Bp= 0.9(1 +d)= 0.9 ×(1.2 + 1)=1.98m

        式中:d為支撐墩的直徑。

        因此地基土的最大水平側(cè)壓力為:417.33/1.98=210.8kPa,小于含黏土卵石的承載力特征值220kPa,水平承載力滿足要求。

        3.3 最終加固設(shè)計效果

        根據(jù)加固設(shè)計配筋(見圖10),加固工程完工后,排樁位移得到有效控制,C11 號樁的最大累計位移也只有71cm,樁間土也無繼續(xù)垮塌的現(xiàn)象,保證了施工順利進行。

        圖10 鋼筋混凝土腰梁與斜撐的鏈接圖

        4 結(jié)論

        ⑴加固設(shè)計沒有考慮地下水對基坑的影響,而場地的土具有弱膨脹性,遇水后會產(chǎn)生膨脹壓力,這些對基坑的穩(wěn)定都是不利的。

        ⑵模擬得出最大位移在邊錨處,即遠離斜撐的錨索處是危險段,說明這些點是施工現(xiàn)場監(jiān)測的重點對象,這對施工有指導意義。

        ⑶實踐證明,增加斜撐將排樁的抗傾覆安全系數(shù)提高0.2在該案例中是可行的。

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