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        高層建筑地下室邊區(qū)逆作法設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

        2023-11-16 13:21:08王樹(shù)貴山東省鄆城縣環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心山東菏澤274700
        安徽建筑 2023年11期
        關(guān)鍵詞:水平施工

        王樹(shù)貴 (山東省鄆城縣環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心,山東 菏澤 274700)

        0 引言

        由于城區(qū)土地資源的稀缺性以及人口密度的不斷增加,導(dǎo)致地表空間十分擁擠,極大地限制了城區(qū)商業(yè)發(fā)展,也使得居住環(huán)境不斷惡化[1]。以城市停車為例,地表匱乏的土地資源不能滿足日益增長(zhǎng)的汽車保有量,在城市土地開(kāi)發(fā)過(guò)程中,為減少地表停車位,修建的高層建筑一般會(huì)配備地下停車場(chǎng),發(fā)展地下空間成為解決停車難和緩解人車矛盾的有效途徑[2]。在傳統(tǒng)的地下室修建工法中一般采用明挖順作法,這種工法適用于施工場(chǎng)地較好、工期較為寬松和無(wú)周邊環(huán)境影響的條件[3]。為了在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的中心城區(qū)更好地保護(hù)周邊環(huán)境、提高基坑剛度、加快建設(shè)進(jìn)度以及節(jié)約工程造價(jià),在全逆作法的基礎(chǔ)上發(fā)展出了邊區(qū)逆作法,以施工的地下室樓板結(jié)構(gòu)作為基坑橫向支撐,大大地提高了基坑剛度和穩(wěn)定性,達(dá)到了良好的經(jīng)濟(jì)效益[4]。本文嘗試結(jié)合實(shí)際工程案例,對(duì)高層建筑地下室邊區(qū)逆作法施工過(guò)程進(jìn)行研究,并采用有限元模擬的手段對(duì)超挖深度和單側(cè)樓板寬跨比的影響進(jìn)行分析。

        1 工程概況

        山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目位于城區(qū)東北角,項(xiàng)目四周均為城市主干道,交通方便,規(guī)劃用地面積52434.66 m2,總建筑面積約為226243.87m2,其中地上建筑面積為180603.13m2,地下建筑面積為45640.74m2。包含6 棟住宅、1 棟3 層幼兒園、1 棟19 層辦公樓、1棟32 層辦公樓及地下車庫(kù),其中1#、2#、5#、6#住宅樓33 層,3#住宅樓22層,4#住宅樓34 層。住宅、辦公樓均為裝配式建筑,裝配率均不低于50%。一期總建筑面積124852.03m2,其中地上建筑面積為93246.62m2,地下建筑面積為31605.41m2。包含6 棟住宅、1 棟3層幼兒園及地下4 層車庫(kù)。具體的建筑設(shè)計(jì)概況如表1所示。

        表1 建筑設(shè)計(jì)概況 (單位:m2)

        2 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

        研究區(qū)所分布的地層及主要特征如表2所示。

        表2 場(chǎng)區(qū)各巖土層分布及主要特征

        圖1 山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目地下室基坑

        3 高層建筑物地下室邊區(qū)逆作法的施工過(guò)程

        邊區(qū)逆作法作為一種新型的基坑工程開(kāi)挖方法,是在全逆作法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),結(jié)合了逆作法和明挖順作法兩者共同的優(yōu)點(diǎn)[5-6],在基坑支護(hù)樁或者圍護(hù)墻完成后,通過(guò)在基坑周邊一定寬度范圍內(nèi)采用逆作法施作永久結(jié)構(gòu),形成閉環(huán)以替換橫向臨時(shí)混凝土支撐或者臨時(shí)鋼支撐,達(dá)到提高基坑支護(hù)剛度的目的。而在基坑的中間區(qū)域則采用大面積的明挖順作法(正作法),以提高出土效率和提供施工空間。結(jié)合山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目地下室基坑工程實(shí)例,將逆作法和明挖順作法的平面區(qū)域劃分如圖2 所示,這種以逆作法換取中間區(qū)域明挖順作法的方式,極大地提高了施工效率,同時(shí)不受基坑周邊環(huán)境的影響,能滿足基坑周邊建筑物密集或者管線眾多的施工要求[7]。

        圖2 工程實(shí)例中逆作法和明挖順作法的平面區(qū)域劃分

        結(jié)合山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目地下室基坑工程實(shí)例,對(duì)邊區(qū)逆作法的施工過(guò)程進(jìn)行分析。在施工初期,首先對(duì)場(chǎng)區(qū)的土地進(jìn)行平整,并對(duì)基坑周邊進(jìn)行支護(hù)灌注樁的施工,支護(hù)灌注樁的直徑為600mm、間距為800mm,將冠梁將基坑周邊的所有支護(hù)灌注樁圍成整體,形成密閉的擋土結(jié)構(gòu),如圖3(a)所示;施工階段2,按照設(shè)計(jì)位置對(duì)施工逆作邊區(qū)范圍內(nèi)的豎向承載構(gòu)件鋼管柱進(jìn)行放樣和施工,一般鋼管柱也可以采用混凝土柱進(jìn)行替代,混凝土柱在施工階段為臨時(shí)承載構(gòu)件,在使用階段則變成結(jié)構(gòu)柱,達(dá)到永臨結(jié)合的目的,但這種方法對(duì)混凝土柱的豎向偏角控制較為嚴(yán)格,施工難度也較大,如圖3(b)所示;施工階段3,開(kāi)挖基坑土體,將土體開(kāi)挖至高層建筑物地下室頂板以下50cm,如圖3(c)所示;施工階段4,澆筑邊區(qū)范圍內(nèi)的高層建筑物地下室頂板,形成一定寬度的封閉水平支撐板,并將其與鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)連接,形成豎向和橫向相互結(jié)合的支撐體系,如圖3(d)所示;施工階段5,在高層建筑物地下室頂板達(dá)到一定強(qiáng)度后,繼續(xù)開(kāi)挖基坑土體,直至地下一層底板以下50cm,如圖3(e)所示;施工階段6,澆筑邊區(qū)范圍內(nèi)的高層建筑物地下一層底板,形成一定寬度的封閉水平支撐板,并將其與鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)連接,形成豎向和橫向相互結(jié)合的支撐體系,如圖3(f)所示;施工階段7,重復(fù)施工階段5和施工階段6 的步驟,依次施作開(kāi)挖土體、地下二層底板、開(kāi)挖土體、地下三層底板、開(kāi)挖土體,直至挖到地下室底板以下20cm,采用素混凝土對(duì)基坑底板進(jìn)行封閉;施工階段8,澆筑底板,待底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,自下而上完成中間區(qū)域明挖順作法的地下室樓板,最后封頂形成完整的地下室結(jié)構(gòu)。

        圖3 高層建筑物地下室邊去逆作法施工過(guò)程

        應(yīng)用邊區(qū)逆作法對(duì)高層建筑物地下室施工最大的優(yōu)點(diǎn)就是充分利用了地下室結(jié)構(gòu)的水平抗力,提高了基坑的水平剛度并減小了土體變形,另一方面減少了臨時(shí)水平混凝土支護(hù)的施工,達(dá)到了低碳施工、裝拆支撐的目的[8-10]。為了更好地說(shuō)明邊區(qū)逆作法對(duì)基坑的擾動(dòng)程度,在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)A-A 斷面和B-B 斷面布置了樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn),在基坑的3 個(gè)角點(diǎn)上分別布置了YL1、YL2、YL3 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)斷面和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布置如圖2 所示。A-A 斷面和B-B 斷面樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)曲線如圖4所示。

        圖4 A-A斷面和B-B斷面樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)曲線

        從圖4 中可以看出,在A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移曲線均表現(xiàn)出拋物線形,其最大值均在樁體中間部位且深度約16.00m 位置。其中,A-A 斷面中的樁體深層水平位移最大值為49.07mm,而B(niǎo)-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值為43.99mm,樁頂和樁底的位移遠(yuǎn)小于中間的水平位移峰值。A-A 斷面中的樁體深層水平位移略大于B-B 斷面中的樁體深層水平位移,是因?yàn)锳-A 斷面位置的樁體位于長(zhǎng)直邊,逆作結(jié)構(gòu)的寬度較小,而B(niǎo)-B斷面位置的樁體位于斜邊,逆作結(jié)構(gòu)的寬度較大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度較大。無(wú)論如何,A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值均遠(yuǎn)小于規(guī)范中0.5%H(H 為基坑深度,換算為80mm)的要求,表明高層建筑地下室邊區(qū)逆作法施工有效地控制了基坑變形。

        表3 為YL1、YL2、YL3 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果。從表中可以看出,隨著逆作深度的增加,同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樓板應(yīng)力逐漸減小,且從頂板至負(fù)一層這個(gè)階段的樓板應(yīng)力下降迅速,表明在基坑工程邊區(qū)逆作法施工過(guò)程中,對(duì)地下室頂板的應(yīng)力控制最不利,應(yīng)加強(qiáng)頂板的強(qiáng)度和剛度;在同一樓層,YL2 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力最大,YL3 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力次之,YL3 樓板應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力最小。

        表3 場(chǎng)區(qū)各巖土層分布及主要特征(單位:MPa)

        4 基于數(shù)值仿真的高層建筑物地下室邊區(qū)逆作法設(shè)計(jì)分析

        基于邁達(dá)斯巖土分析有限元軟件MIDAS GTS 建立地下室邊區(qū)逆作法的數(shù)值仿真模型,計(jì)算時(shí)土體采用修正的摩爾庫(kù)倫本構(gòu),土體的本構(gòu)特征參數(shù)如表4 所示。圍護(hù)混凝土灌注樁、地下室頂板、地下室樓板等混凝土結(jié)構(gòu)均采用C40 混凝土澆筑,彈性模量取值為32500MPa,容重取值為25kN/m3,泊松比取值為0.20。

        為了更為安全和經(jīng)濟(jì)地對(duì)地下室邊區(qū)逆作法進(jìn)行設(shè)計(jì),選取超挖深度和單側(cè)樓板寬跨比2 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行研究,模擬時(shí)設(shè)置3 種超挖工況,分別為超挖100cm(工況1)、超挖200cm(工況2)、超挖300cm(工況3);3種單側(cè)樓板寬跨比工況,分別為寬跨比為l/b=2.0(工況4)、寬跨比為l/b=3.0(工況5)、寬跨比為l/b=4.0(工況6),其中l(wèi) 為邊區(qū)逆作的樓板跨度、b為邊區(qū)逆作的樓板寬度。

        圖4 為不同超挖深度對(duì)逆作法基坑圍護(hù)樁體深層水平位移的影響,從圖中可以看出,對(duì)于不同超挖深度而言,其基坑工程圍護(hù)樁體的水平位移均為拋物線型,隨著超挖深度的增加,主要改變的是樁體上部水平位移,樁頂位移隨著超挖量的增加而不斷增加,而曲線峰值以下的水平位移值基本不變。

        圖5 為不同寬跨比對(duì)逆作法基坑圍護(hù)樁體深層水平位移的影響,從圖中可以看出,對(duì)于不同的寬跨比而言,其基坑工程圍護(hù)樁體的水平位移均為拋物線型,隨著寬跨比的增加,主要改變的是樁體水平位移的峰值,位移峰值隨著寬跨比的增加而不斷增加,而圍護(hù)樁頂和樁底部的水平位移基本不變。

        圖5 不同超挖深度對(duì)逆作法樁體深層水平位移的影響

        圖6 不同寬跨比對(duì)逆作法樁體深層水平位移的影響

        5 結(jié)論

        以山東省鄆城縣某商住一體化項(xiàng)目地下室施工為研究對(duì)象,對(duì)邊區(qū)逆作法的施工過(guò)程進(jìn)行分析,考慮超挖深度和單側(cè)樓板寬跨比的影響,采用有限元模擬的手段進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,得到以下三個(gè)結(jié)論。

        ①A-A 斷面和B-B 斷面中的樁體深層水平位移最大值均遠(yuǎn)小于規(guī)范中0.5%H(H 為基坑深度,換算為80mm)的要求,表明高層建筑地下室邊區(qū)逆作法施工有效地控制了基坑變形。

        ②隨著逆作深度的增加,同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的樓板應(yīng)力逐漸減小,且從頂板至負(fù)一層這個(gè)階段的樓板應(yīng)力下降迅速,表明在基坑工程邊區(qū)逆作法施工過(guò)程中,對(duì)地下室頂板的應(yīng)力控制最不利,應(yīng)加強(qiáng)頂板的強(qiáng)度和剛度。

        表4 土體本構(gòu)特征參數(shù)

        ③樁頂位移隨著超挖量的增加而不斷增加,而曲線峰值以下的水平位移值基本不變;隨著寬跨比的增加,主要改變的是樁體水平位移的峰值,位移峰值隨著寬跨比的增加而不斷增加,而圍護(hù)樁頂和樁底部的水平位移基本不變。

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