復(fù)合土釘墻處理復(fù)雜環(huán)境下基坑工程適用性分析

郭文勝，杜浩鳴，張志強(qiáng)

（1.河南五建建設(shè)集團(tuán)有限公司，鄭州 450000；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450001；3.河南省第一建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，鄭州 450014）

復(fù)合土釘墻處理復(fù)雜環(huán)境下基坑工程適用性分析

郭文勝1，杜浩鳴2，張志強(qiáng)3

（1.河南五建建設(shè)集團(tuán)有限公司，鄭州 450000；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450001；3.河南省第一建筑工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，鄭州 450014）

針對(duì)復(fù)合土釘墻處理復(fù)雜環(huán)境下基坑工程的適用性進(jìn)行研究，采用有限元方法對(duì)復(fù)雜環(huán)境下復(fù)合土釘支護(hù)的基坑進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明所采用的支護(hù)方案能較好地解決同時(shí)遇到既有電力隧道、防空洞和舊樁基時(shí)深基坑工程邊坡支護(hù)的問題。并通過對(duì)該基坑工程施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)坡頂豎向和水平位移進(jìn)行試驗(yàn)監(jiān)測(cè)及分析，認(rèn)為在深基坑周邊同時(shí)存在電力隧道、防空洞以及舊樁基的復(fù)雜環(huán)境條件下采用樁錨土釘復(fù)合支護(hù)體系能充分滿足基坑的安全穩(wěn)定要求和周邊建筑物與管線的保護(hù)要求。

復(fù)雜環(huán)境；復(fù)合土釘支護(hù)；有限元分析；監(jiān)測(cè)分析

0　引 言

近年來城市建設(shè)快速發(fā)展，基坑工程中很大一部分都是處在市區(qū)，基坑周邊環(huán)境較為復(fù)雜，通常會(huì)存在已有地下結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致基坑的設(shè)計(jì)和施工上的困難。基坑支護(hù)不僅要滿足施工地下結(jié)構(gòu)時(shí)的安全，同時(shí)要保證周邊建筑環(huán)境的正常使用。單一支護(hù)形式在處理復(fù)雜環(huán)境下的深基坑工程時(shí)很難同時(shí)滿足使用要求和經(jīng)濟(jì)效益，復(fù)合支護(hù)形式的快速發(fā)展成為解決這一難題的有效手段。

復(fù)合土釘支護(hù)體系在深基坑工程支護(hù)應(yīng)用中具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和施工工期優(yōu)勢(shì)。近年來許多學(xué)者對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)體系的可行性進(jìn)行了研究分析，并得出了很多有益的結(jié)論。秦四清 等首次運(yùn)用剪滯力理論結(jié)合加筋土的準(zhǔn)粘聚力理論分析研究了釘和土之間的作用機(jī)理。梁仕華從能量角度出發(fā)，提出了土釘支護(hù)的準(zhǔn)粘聚力計(jì)算公式。魏海云 等利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行了土釘支護(hù)的變形預(yù)測(cè)。楊光華，黃宏偉提出土釘力的增量計(jì)算法，并認(rèn)為土釘上作用的土壓力實(shí)際是成三角形分布的。蔣美蓉 等對(duì)深基坑土釘支護(hù)性能的三維有限元進(jìn)行分析，并經(jīng)過工程實(shí)踐，證明了有限元可以用來分析土釘?shù)墓ぷ餍阅堋Ｋ味?等運(yùn)用有限元分析方法對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)體系中土體變形模式和模型參數(shù)的選用問題進(jìn)行研究，分別建立一般土釘支護(hù)和復(fù)合土釘支護(hù)的二維有限元模型，對(duì)比分析了二者的變形大小、攪拌樁土壓力以及土釘軸力的大小與分布差異。秦會(huì)來通過土釘支護(hù)與水泥土樁復(fù)合土釘支護(hù)的對(duì)比分析，提出了一種新的土釘力的增量計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上，提出了水泥土樁復(fù)合土釘?shù)淖冃斡?jì)算方法及簡(jiǎn)化算法，并結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了該法的可行性。吳忠誠(chéng) 等通過對(duì)復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的全過程內(nèi)力和變形進(jìn)行觀測(cè)，研究了地下水和土壓力的變化對(duì)土-土釘偶合體力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示了復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征。熊贊民在研究土釘和錨桿的基礎(chǔ)上，運(yùn)用可靠性理論研究了復(fù)合土釘支護(hù)的穩(wěn)定性，并給出了失穩(wěn)概率。尹驥 等結(jié)合某復(fù)合土釘支護(hù)的工程實(shí)例，建立有限元模型采用強(qiáng)度折減法計(jì)算了復(fù)合土釘支護(hù)的穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算得到的滑裂面位置與實(shí)際破壞形態(tài)非常吻合。俞登華 等結(jié)合上海某工程實(shí)例建立二維有限元模型計(jì)算復(fù)合土釘支護(hù)的位移，采用強(qiáng)度折減法分析該基坑的整體穩(wěn)定性，并討論了位移與穩(wěn)定性的關(guān)系。金剛鋒 等從土的塑性理論出發(fā)，分析了作用疏排樁上的土壓力，研究了疏排樁的抗滑效應(yīng)，并成功運(yùn)用到了工程實(shí)例。陳海濤采用有限元軟件對(duì)疏排樁-復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、豎直位移以及總位移特征。宋克選通過有限元方法對(duì)排樁內(nèi)支撐復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，提出了該支護(hù)結(jié)構(gòu)的土壓力分配模式。周亮采用ABAQUS軟件對(duì)排樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，總結(jié)了排樁復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形機(jī)制。徐國(guó)忠介紹了軟土地區(qū)一層地下室的基坑采用排樁與土釘聯(lián)合支護(hù)的優(yōu)勢(shì)，并指出該支護(hù)結(jié)構(gòu)需要合理的設(shè)計(jì)方法。

對(duì)于本文中的深基坑工程項(xiàng)目，由于該深基坑部分周邊附近存在電力隧道、防空洞以及舊樁基，采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法對(duì)該部分邊坡的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)不能同時(shí)考慮電力隧道、防空洞及舊樁基三者的影響。筆者采用有限元和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)該深基坑工程項(xiàng)目的支護(hù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析研究。

1　工程概況

盛潤(rùn)·錦繡城基坑工程項(xiàng)目位于鄭州市中原區(qū)棉紡路與工人路交叉口。基坑底長(zhǎng)×寬=152.7 m×115.2 m，自然地面標(biāo)高為-1.4 m，基坑深度為12.3 m，局部為13.46 m。基坑的北面為5棟商住樓；東面為規(guī)劃的道路；南面為棉紡西路，基坑開挖上邊線距棉紡西路人行道北邊約為8.5 m；西面有兩棟舊建筑物，其中一棟三層磚混結(jié)構(gòu)建筑，距基坑開挖上邊線為2.55 m，另一棟七層磚混結(jié)構(gòu)建筑，距基坑開挖上邊線為1.35 m，基坑周邊環(huán)境詳如圖1所示。

在深基坑的南部邊坡，設(shè)計(jì)支護(hù)樁的南側(cè)，存在與深基坑邊坡基本平行的，東西通長(zhǎng)的城市主電力隧道。電力隧道為磚墻砌筑，隧道的墻壁厚度為370 mm，隧道的北部側(cè)墻距離設(shè)計(jì)支護(hù)樁為3.1 m，隧道的內(nèi)部?jī)魧挾葹?.5 m，隧道的內(nèi)部高度為2.6 m，隧道的底板標(biāo)高為-5.5 m，距離支護(hù)樁頂部以下1.2 m；在城市主電力隧道與設(shè)計(jì)的支護(hù)樁之間，存在著東西走向的防空洞，防空洞為磚墻砌筑，洞壁厚度為370 mm，防空洞內(nèi)凈高度為2.5 m，防空洞的洞頂標(biāo)高度為-8.5 m。在深基坑的南部邊坡，設(shè)計(jì)支護(hù)樁的南側(cè)，在電力隧道的北側(cè)，有與設(shè)計(jì)支護(hù)樁部分交接的一排東西方向分布樁間距為7.5 m的老樁基。本文只分析了同時(shí)存在電力隧道和防空洞時(shí)的支護(hù)方案。電力隧道、防空洞和支護(hù)樁三者的位置關(guān)系，如圖2所示，電力隧道與支護(hù)樁的現(xiàn)場(chǎng)位置，如圖3所示。

圖2　電力隧道、防空洞與支護(hù)樁位置示意

圖3　電力隧道與支護(hù)樁位置

2　處理方案

2.1支護(hù)樁遇防空洞的處理方案

在該深基坑工程中，防空洞的走向不是一條直線，沒有規(guī)律性，有部分支護(hù)樁需要穿越防空洞。對(duì)于穿越防空洞的支護(hù)樁需要進(jìn)行處理。

該工程中采用鋼護(hù)筒樁模，鋼護(hù)筒的長(zhǎng)度為3.5 m，出防空洞的上頂和下底各500 mm，鋼板厚度為3 mm，內(nèi)徑為900 mm工廠卷成筒狀，接縫焊接嚴(yán)密。鋼護(hù)筒在防空洞范圍內(nèi)作為樁身混凝土的側(cè)模，然后進(jìn)行鋼筋混凝土支護(hù)樁的混凝土澆筑。處理后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)圖，如圖4所示。

圖4　鋼護(hù)筒混凝土支護(hù)樁

2.2防空洞封堵處理方案

對(duì)于南部平行于深基坑邊坡的防空洞，支護(hù)樁施工完成后，基坑開挖前分段開挖的過程中，在南邊邊坡防空洞170 m范圍內(nèi)，按照30～40m長(zhǎng)度分隔為若干小的單元，對(duì)防空洞分段砌墻分隔開，分段填充水泥土，防空洞填充和基坑開挖支護(hù)同步進(jìn)行。

對(duì)于東西部垂直于深基坑邊坡的防空洞，為了防止防空洞與市政管網(wǎng)連接，造成市政污水和雨水倒灌基坑，采取在洞口2 m處砌筑500 mm磚墻，M7.5水泥砂漿砌筑，中間噴射1 m厚C20混凝土，洞口砌筑500 mm磚墻。在距洞底200 mm高處，設(shè)置D=50 mm的溢流管，發(fā)現(xiàn)有水時(shí)，及時(shí)對(duì)接水管將水排出。防空洞封堵示意圖，如圖5所示。

2.3支護(hù)樁遇到老樁基

在深基坑的南部邊坡，設(shè)計(jì)支護(hù)樁的南側(cè)，在電纜隧道的北側(cè)，有與設(shè)計(jì)支護(hù)樁互相交接的一排東西方向分布的老樁基。老樁基與支護(hù)樁的平面位置關(guān)系，如圖6所示，老樁基與支護(hù)樁的立面位置關(guān)系，如圖7所示。

圖6　老樁基與支護(hù)樁的平面位置關(guān)系

由于老樁基的樁底部的混凝土擴(kuò)大頭的影響，造成支護(hù)樁施工暫停施工。根據(jù)了解，施工總承包單位剛進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)，此部位的現(xiàn)場(chǎng)的房屋已經(jīng)拆除，外露的鋼筋混凝土樁頭和基礎(chǔ)由于外形不規(guī)整，曾經(jīng)詢問建設(shè)單位相關(guān)人員，得到的答復(fù)是，此處的鋼筋混凝土是獨(dú)立基礎(chǔ)的鋼筋，可以用炮錘進(jìn)行破除，深度不會(huì)太深了。但是，此信息與現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重不符合，待到施工支護(hù)樁樁孔受阻時(shí)，才得到了相對(duì)準(zhǔn)確的地基資料。并根據(jù)老樁基的位置，繪制了老樁基和支護(hù)樁平面位置關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7　老樁基與支護(hù)樁的立面位置關(guān)系

2.3支護(hù)方案

為保護(hù)深基坑南邊坡市政電力隧道，在自然地坪（標(biāo)高：-1.4 m）到設(shè)計(jì)支護(hù)樁頂（標(biāo)高：-4.2 m）之間，高度2.8 m范圍內(nèi)，采用2排土釘支護(hù)，土釘采用HRB400級(jí)鋼筋，直徑20 mm，錨固體的直徑為120 mm，土釘長(zhǎng)度為6 m，傾斜角度為100，水平間距為1.5m，豎向間距為1m，支護(hù)結(jié)構(gòu)詳圖，如圖8所示。

圖8　支護(hù)結(jié)構(gòu)

3　有限元與實(shí)測(cè)分析

3.1有限元模型及參數(shù)

采用有限元計(jì)算模型如圖9所示，模型尺寸長(zhǎng)度70 m，土體深度32.5 m。左側(cè)和右側(cè)邊界約束土體水平向位移，底部約束水平和豎向位移。基坑深度12.5 m，分步開挖，每次開挖1.5 m，最后一步開挖0.5 m。基坑上部土釘墻部分存在電力隧道，下部預(yù)應(yīng)力土釘部分由于存在舊的樁基礎(chǔ)，故采用土釘墻以及預(yù)應(yīng)力土釘進(jìn)行支護(hù)。土層自上而下共分為9層，土體參數(shù)見表1。基坑上部采用土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，為了不影響到電力隧道，土釘長(zhǎng)度以不碰到電力隧道為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，模型具體參數(shù)見表2。

圖9　有限元模型

表1　基坑工程設(shè)計(jì)土層參數(shù)

表2　土釘參數(shù)

土層自上而下共分為9層，土體參數(shù)見表1，土體采用摩爾庫(kù)倫模型，土體彈性模量根據(jù)壓縮模量參考文獻(xiàn)得到。基坑上部采用土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于已有防空洞，模型計(jì)算時(shí)防空洞部分按照水泥土考慮，土釘錨桿參數(shù)見表2。有限元模型如圖7所示，本項(xiàng)目有限元分析中，采用8結(jié)點(diǎn)高階單元，土體本構(gòu)采用摩爾-庫(kù)倫模型，不考慮剪脹角的作用。

3.2有限元結(jié)果分析

通過采用有限元軟件，可以較好的模擬施工過程中基坑的變形情況，為方案的實(shí)施提供參考。

計(jì)算得到的基坑整體位移矢量圖，如圖10所示，豎向沉降最大值為17.2 mm，基坑底部隆起最大值為29.7 mm；水平位移最大值為27.9 mm。

基坑水平位移云圖和豎向位移云圖分別如圖11、圖12所示。可知計(jì)算結(jié)果滿足《建筑基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，方案可行。

圖10　基坑位移矢量

圖11　基坑水平位移

圖12　基坑豎向位移

3.3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算對(duì)比分析

該項(xiàng)目監(jiān)測(cè)時(shí)間從2012年6月18日到2013年4月14號(hào)。對(duì)于本文所分析的上部土釘下部樁錨復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)部分的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為7～9號(hào)點(diǎn)。以圖13中FEM表示采用有限元方法對(duì)各時(shí)間點(diǎn)處工況分析的結(jié)果。

圖13　支護(hù)坡頂水平位移

由圖13可得對(duì)于本文所關(guān)注的復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)部分，其中上部土釘下部預(yù)應(yīng)力土釘復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)位置為測(cè)點(diǎn)10～16號(hào)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)該部分最大位移為20 mm左右，滿足規(guī)范要求。

由圖14中可得對(duì)于本文所關(guān)注的復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)部分，其中上部土釘下部預(yù)應(yīng)力土釘復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)位置為測(cè)點(diǎn)10～16號(hào)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)該部分最大位移為7 mm左右，滿足規(guī)范要求。

圖14　支護(hù)坡頂豎向位移

4　結(jié) 語(yǔ)

本文通過采用有限元方法對(duì)同時(shí)存在防空洞和電力隧道的復(fù)雜環(huán)境下基坑支護(hù)方案進(jìn)行了計(jì)算分析，并結(jié)合基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析得出如下結(jié)論：①采用復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)方案能夠滿足該復(fù)雜環(huán)境下基坑支護(hù)的特殊要求；②通過對(duì)深基坑的支護(hù)坡頂水平和豎向位移可得其最大變形值均在限值范圍內(nèi)，與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明有限元計(jì)算結(jié)果的合理性。

主要參考文獻(xiàn)

［1］秦四清.土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.礦產(chǎn)勘查，2000（1）.

［2］鄧建剛，傅旭東.土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.巖土力學(xué)，2003（z2）.

［3］魏海云，方云，陳愛云.土釘支護(hù)及其變形的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)［J］.西部探礦工程，2003（9）.

［4］楊光華，黃宏偉.基坑支護(hù)土釘力的簡(jiǎn)化增量計(jì)算法［J］.巖土力學(xué)，2004（1）.

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2016.20.065

TU753

A

1673-0194（2016）20-0101-04

2016-09-20

郭文勝（1976-），河南鄭州人，高級(jí)工程師，總經(jīng)理，本科，主要研究方向：地下工程。