某逆作法基坑圍護樁與立柱差異沉降分析

唐曉強 張志豪 張庚成

(1.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院，山東 青島 266100; 2.中國石油天然氣華東勘察設計研究院巖土工程公司，山東 青島 266071)

0 引言

在逆作法施工中經(jīng)常遇到由于立柱樁之間或者樁墻之間產(chǎn)生過大的沉降差而導致樓板開裂，甚至引發(fā)滲漏問題。為此控制樁與樁以及樁與墻之間的差異沉降成為近年來研究的熱點。產(chǎn)生裂縫，引起滲漏問題，甚至危及結構永久的安全。中華人民共和國行業(yè)標準YB 9258－99建筑基坑工程技術規(guī)范規(guī)定相鄰立柱之間和立柱與圍護墻之間沉降差應控制在 0.002L(L為軸線間距)以內(nèi)[1]。

謝小松(2007)[2]通過現(xiàn)場實測以及模擬研究表明:樁與樁、樁與墻的沉降差主要是由于開挖卸載和主體結構施工加載的變化造成的，樁與樁、樁與墻的沉降差與距離圍護墻的距離成負向關系，由于圍護墻的剛度比樁大的多，故一般圍護墻的沉降較小。

鐘建馳等[3]對嵌巖地下連續(xù)墻的結構模型進行了研究，以驗證地下連續(xù)墻極限承載能力和參數(shù)取值的合理性。

1 工程概況

本工程位于青島市東部新區(qū)，周圍建筑密集，且有高層。該工程為兩層地下室結構，層高4.5 m，開挖深度約13.8 m，是一項相對獨立、設施完善的平戰(zhàn)結合6級人防工程。此外，南側(cè)還將與附近的地鐵站相通。

典型剖面見圖1:以各層地下室的板梁作為施工時圍護結構的水平支撐體系，采用筏板基礎結合立柱樁作為基礎，工程完成后，結構頂板上覆土厚度在3 m左右，層高約4.50 m，工程主跨度多為8 m，設計采用逆作法施工。

該人員掩蔽工程基坑開挖14.6 m，支護體系采用φ1 000@1 400鉆孔灌注，樁長16 m，樁嵌巖深度不小于3 m，鉆孔灌注樁鋼筋全長配置，主筋采用HRB400級鋼筋，混凝土強度為水下 C30，冠梁為C30混凝土冠梁;此外在灌注柱樁外側(cè)設置φ1 200@900和φ800@1 400的止水帷幕，并且高壓旋噴樁進入止水帷幕不小于500 mm，樁頂標高為0.00 m。計算時考慮地面荷載20 kPa。

圖1 計算采用的典型剖面

2 有限元法圍護墻與立柱差異沉降計算

通過plaxis對基坑施工過程進行有限元模擬，分析上述差異沉降。模型的尺寸為60 m×30 m。在模擬中，圍護擋墻、逆作板梁、立柱樁均按板梁單元模擬[4，5]，模擬過程中去基坑剖面的一半(該剖面共6根立柱，5跨)，為便于頂板、中板施工模擬，在梁板位置超挖0.5 m施加梁單元，以防止梁板下土層隆起造成梁單元絕對位置與土層重疊。本模型中沒有考慮底板的抗浮錨桿的作用。場地條件見表1，建立了三角形單元的物理模型，如圖2所示。

表1 各土層的物理參數(shù)

圖2 計算模型示意圖

圖3為底板未澆筑前基坑剖面頂板、坑底節(jié)點位移矢量圖，該剖面中板節(jié)點位移矢量圖與定邊相似。總體上立柱產(chǎn)生一定的向上隆起，自基坑邊側(cè)向基坑中央隆起量增大，經(jīng)數(shù)值計算該剖面頂板最大變形為9.51 mm且方向一致，立柱間差異沉降應小于該變形值符合規(guī)范要求的10 mm～20 mm變形允許值。

3 變形分析

逆作法中頂板可視為標準壓彎構件，同時受到圍護樁水平方向的壓力以及立柱對其施加的剪力，同時其自身體力仍不可忽視。由以上受力情況可見，頂板剪力主要由立柱提供，且頂板剪力分布與基坑坑底隆起量是相互影響的。

由圖3可見，頂板變形在立柱處為出現(xiàn)向上方向的變形極值，而從基坑底板變形分布可見，在立柱存在隆起量明顯減小，說明頂板變形受到基坑隆起影響極大，且對基坑隆起有一定的抑制作用。從中板及頂板彎矩圖中來看，見圖4，三個立柱處彎矩均為峰值，且向基坑內(nèi)方向柱間減小。支護設計時可通過降低基地隆起來減少各層樓板變形。

根據(jù)基坑坑底估算的同濟大學法對本案例進行計算。同濟大學法是一種經(jīng)驗方法，主要用于軟土，該方法適用于深度大于7 m且寬度較寬的基坑。由其使用條件可見，該方法主要計算純粹的基地卸荷反彈，適用于本文案例。本文基坑案例由于坑底為強風化巖石，坑底隆起的主要因素為卸荷造成的反彈，而基地抗隆起驗算所關注的Terzaghi和Prandtl破壞形式為坑底土過于軟弱而造成的滑動破壞，不會發(fā)生。對于本例典型剖面進行的坑底抗隆起安全驗算得到Prandtl(普朗德爾)Ks=9.104，Terzaghi(太沙基)Ks=11.525，遠大于規(guī)范要求。

圖3 底板未澆筑前頂板、坑底節(jié)點位移矢量示意圖

圖4 頂板彎矩分布圖

基底隆起量的估算公式如下:

其中，δ為基底隆起量，cm;H為基坑開挖深度，m，H′=H+P/γ，P為地表超載，t/m2;D為墻體入土深度，m;c，φ，γ分別為土的粘聚力，kg/m2，內(nèi)摩擦角，(°)，重度，t/m3。

計算結果為21.5 mm，與數(shù)值計算結果趨于一致，坑底隆起遠小于軟土地區(qū)。說明坑底硬層有效的減小了坑外土自重造成的滑動基地隆起。

由式(1)可見，相對于既定的土層地質(zhì)條件和開挖深度，增加樁體墻體入土深度可有效的減少基地隆起。可嘗試增加樁墻入土深度，減小樁柱間差異沉降。

4 結語

1)利用有限單元法，以二維模型分析計算逆作法深基坑圍護墻和立柱差異是可行且有效的，計算結果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相吻合，體現(xiàn)了彈性結構框架與彈塑性土體之間的相互作用，是一種全面的分析方法。

2)由于青島地區(qū)的基巖埋深在10 m～20 m左右，這就使得在逆作法施工中的圍護墻以及立柱樁在施工中都是嵌巖的，在逆作法后續(xù)的施工中上述兩個構件彼此之間的差異沉降很小，滿足結構設計的要求，且基坑頂板中板變形與基坑坑底隆量是明顯相互影響的。

3)青島地區(qū)基地回彈主要控制因素為單純的卸荷回彈，回彈量較小，由于坑底基巖分布，通過圓弧滑動或承載力方法估算基坑坑底抗隆起安全指標應趨于安全。

[1] JGJ 120－99，建筑基坑支護技術規(guī)范[S].

[2] 謝小松.大型深基坑逆作法施工關鍵技術研究及結構分析[D].上海:同濟大學，2007.

[3] 鐘建馳，馮兆祥，劉玉濤，等.嵌巖地下連續(xù)墻模型試驗研究和參數(shù)測定[J].河海大學學報(自然科學版)，2004(9):52－55.

[4] 朱國華，劉玉濤，黃昌錦.某逆作法地下室柱墻差異沉降計算分析[J].施工技術，2009(9):92－94.

[5] 封金財.大型深基坑逆作法施工過程有限元模擬[J].國防交通工程與技術，2005(3):55－58.