某逆作法基坑圍護(hù)樁與立柱差異沉降分析

唐曉強(qiáng) 張志豪 張庚成

(1.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100; 2.中國石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)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(dǎo)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(diǎn)。產(chǎn)生裂縫，引起滲漏問題，甚至危及結(jié)構(gòu)永久的安全。中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB 9258－99建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定相鄰立柱之間和立柱與圍護(hù)墻之間沉降差應(yīng)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(jié)構(gòu)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(hù)墻的距離成負(fù)向關(guān)系，由于圍護(hù)墻的剛度比樁大的多，故一般圍護(hù)墻的沉降較小。

鐘建馳等[3]對(duì)嵌巖地下連續(xù)墻的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了研究，以驗(yàn)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(jié)構(gòu)，層高4.5 m，開挖深度約13.8 m，是一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立、設(shè)施完善的平戰(zhàn)結(jié)合6級(jí)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(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平支撐體系，采用筏板基礎(chǔ)結(jié)合立柱樁作為基礎(chǔ)，工程完成后，結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)采用逆作法施工。

該人員掩蔽工程基坑開挖14.6 m，支護(hù)體系采用φ1 000@1 400鉆孔灌注，樁長(zhǎng)16 m，樁嵌巖深度不小于3 m，鉆孔灌注樁鋼筋全長(zhǎng)配置，主筋采用HRB400級(jí)鋼筋，混凝土強(qiáng)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(shè)置φ1 200@900和φ800@1 400的止水帷幕，并且高壓旋噴樁進(jìn)入止水帷幕不小于500 mm，樁頂標(biāo)高為0.00 m。計(jì)算時(shí)考慮地面荷載20 kPa。

圖1 計(jì)算采用的典型剖面

2 有限元法圍護(hù)墻與立柱差異沉降計(jì)算

通過plaxis對(duì)基坑施工過程進(jìn)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(hù)擋墻、逆作板梁、立柱樁均按板梁?jiǎn)卧M[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?jiǎn)卧苑乐沽喊逑峦翆勇∑鹪斐闪簡(jiǎn)卧^對(duì)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(chǎng)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(jì)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(diǎn)位移矢量圖，該剖面中板節(jié)點(diǎn)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(jì)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)壓彎構(gòu)件，同時(shí)受到圍護(hù)樁水平方向的壓力以及立柱對(duì)其施加的剪力，同時(shí)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(duì)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(gè)立柱處彎矩均為峰值，且向基坑內(nèi)方向柱間減小。支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)大學(xué)法對(duì)本案例進(jìn)行計(jì)算。同濟(jì)大學(xué)法是一種經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(qiáng)風(fēng)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(yàn)算所關(guān)注的Terzaghi和Prandtl破壞形式為坑底土過于軟弱而造成的滑動(dòng)破壞，不會(huì)發(fā)生。對(duì)于本例典型剖面進(jìn)行的坑底抗隆起安全驗(yàn)算得到Prandtl(普朗德爾)Ks=9.104，Terzaghi(太沙基)Ks=11.525，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求。

圖3 底板未澆筑前頂板、坑底節(jié)點(diǎn)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(jì)算結(jié)果為21.5 mm，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果趨于一致，坑底隆起遠(yuǎn)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(dòng)基地隆起。

由式(1)可見，相對(duì)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(jié)語

1)利用有限單元法，以二維模型分析計(jì)算逆作法深基坑圍護(hù)墻和立柱差異是可行且有效的，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，體現(xiàn)了彈性結(jié)構(gòu)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(hù)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(gè)構(gòu)件彼此之間的差異沉降很小，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)或承載力方法估算基坑坑底抗隆起安全指標(biāo)應(yīng)趨于安全。

[1] JGJ 120－99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 謝小松.大型深基坑逆作法施工關(guān)鍵技術(shù)研究及結(jié)構(gòu)分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2007.

[3] 鐘建馳，馮兆祥，劉玉濤，等.嵌巖地下連續(xù)墻模型試驗(yàn)研究和參數(shù)測(cè)定[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(jì)算分析[J].施工技術(shù)，2009(9):92－94.

[5] 封金財(cái).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(shù)，2005(3):55－58.