井筒式地下車庫圍護結構施工力學特性的數值分析

張 創， 張 鎮， 鄒仕偉， 張福麟， 龍 杰

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

隨著我國城市機動車保有量的不斷增加，截至2017年底，全國機動車保有量達3.10億輛。在有限的城市公共地面環境條件下建設地下停車場是緩解城市機動車停車難的有效途徑，而埋深于地下的井筒式車庫可作為一種較好的選擇[1]。由于井筒式地下車庫工程具有高度的復雜性,國內有關的工程實踐并不多，2016年杭州修建了單建的井筒式地下車庫,該車庫井筒的直徑為20 m,井筒的深度達到24 m,可停放108輛機動車[2]。而在以砂卵石地層為主的西南地區尚未有類似的工程案例，因此有必要對位于砂卵石地層中的井筒式地下車庫開展研究，找出其圍護結構以及主體結構的變形和受力特性，為此類地層中井筒式地下車庫的設計與施工提供指導。目前的圓形深基坑工程大多集中在軟土地區，且主要采用地下連續墻作為深基坑的圍護結構，以充分發揮其內部空間大等的突出優點[3]。但近幾年來，隨著城市經濟的快速發展，以砂卵石土地層為主的成都平原地區也逐漸出現了圓形深基坑工程，其圍護結構采用了排樁框架式圍護結構[4-7]。

本文以砂卵石土地層中某埋深的井筒式地下車庫為研究對象，采用的排樁框架基坑圍護結構，運用FLAC3D軟件對井筒式圍護結構在施工期間的力學特性進1 工程概況和計算模型

1.1 工程概況

某井筒式地下車庫處于以砂卵石土為主的地層中，如圖1所示為車庫的結構簡圖，井筒為圓形的深基坑，基坑的內徑為20 m，坑深為20 m。為確保井筒深基坑在開挖期間的穩定性，擬采用以圍護樁與連接各樁的圈梁包括冠梁和腰梁所構成的空間排樁框架結構作為井筒的圍護結構。圍護樁為澆筑C30混凝土的鉆孔灌注樁，樁的直徑為1.2 m。樁頂設置冠梁，寬度為1.0 m，高度為0.6 m。其下設置腰梁，采用環形鋼箱梁，共設置4級，設置深度分別為4 m、8 m、12 m、16 m，截面尺寸均為400 mm×300 mm×14 mm×14 mm。排樁墻由42根排樁在平面上以15 m等間距進行排列，樁長25 m，嵌固深度5.0 m。井筒基坑周圍地層由上至下依次為填土(0～2 m)、粉質黏土(2～6 m)、卵石(6～23 m)、泥巖(23 m以下)，各地層土體的主要參數見表1。

(a)車庫平截面

(b) 車庫剖面圖1 車庫主體結構及其圍護結構

表1 地層主要物理力學參數

1.2 模型建立

為分析井筒筒身土體在被開挖期間圍護樁的變形與力學特性，采用Flac3D建立三維數值模型進行數值計算。地層的砂卵石土采用摩爾庫倫理想彈塑性模型的實體單元進行模擬，而圍護樁則采用pile單元模擬，與圍護樁中連接的冠梁、腰梁均采用beam單元加以模擬。為了反映井筒及其圍護結構的空間特征，本文采用空間全基坑支護結構建模的方式建立三維結構模型，模型左右兩側面距基坑中軸線距離為5倍坑徑，從而減少底部邊界效應對計算結果的影響。底端距樁底0．5倍樁長，所建立的井筒式地下車庫的三維數值模型如圖2所示。

(a)整體模型

(b)開挖后剖面圖2 數值分析模型

1.3 邊界條件

圖1中未標注空間坐標系。位移邊界條件為：x=-50m面和x=50m面，約束方向x的位移；y=-50m面和y=50m面，約束y方向的位移；底部z=-50m，約束水平方向和豎直方向位移；頂面不加約束，為自由面。

1.4 施工模擬步驟

由于井筒基坑尺寸較小，假定開挖時間比較短，按不排水的條件進行模擬分析。三維基坑開挖過程的數值模擬實施過程如下：

(1)工況1：建立土體模型，分為Soil和Exc。進行初始平衡，形成開挖前土體的初始應力場。

(2)工況2：施作冠梁和圍護樁，把初始平衡形成的位移清零，然后開挖至-4.5 m，進行有限差分計算，得到第一步開挖后的應力場。

(3)工況3：施作-4 m處的第一道支撐，然后開挖至-8.5 m，進行有限差分計算，得到第二步開挖后的應力場。

(4)工況4：施作-8 m處的第二道支撐，然后開挖至-12.5 m，進行有限差分計算，得到第三步開挖后的應力場。

(5)工況5：施作-12 m處的第三道支撐，然后開挖至-16.5 m，進行有限差分計算，得到第四步開挖后的應力場。

(6)工況6：施作-16 m處的第四道支撐，然后開挖至-25 m，進行有限差分計算，得到第五步開挖后的應力場。

2 計算結果及分析

2.1 圍護樁受力和變形結果分析

通過對井筒式深基坑在上述開挖步驟的模擬計算，得到了圍護樁側向位移和內力的計算結果，其分別如圖3和圖4所示。可見，樁體側向位移分布模式均呈中間大兩端小的特征，在開挖到坑底時，圍護樁的最大側向位移為8.51 mm，出現位置位于距地面約15.5 m深度處；當開挖到坑底時，樁身的最大剪力為146 kN(距地面22 m處)，最大彎矩為711.2 kN·m(距地面深17 m處)，彎矩分布模式有雙向分布特征。同時，隨著開挖深度的增加，樁體側向位移量逐漸增大，且出現位置逐漸變深。

圖3 樁體側向位移

2.2 圈梁內力

以開挖步驟6為例，計算得到的圍護結構中設置的各圈梁內力如圖5所示。其中，圈梁從X軸正方向以逆時針方向轉動的圓心角為正。可見，冠梁受力主要以軸向壓力為主，彎矩和剪力相對較小，冠梁的最大軸力、剪力和彎矩分別為105 kN(壓力)、35.05 kN、38.88 kN·m。

圖4 樁體側向彎矩

圍護結構中圈梁的最大彎矩和剪力如表2所示。從表2、圖5可以看出腰梁同樣是以軸力主，且其軸力分布具有均勻性的特征。其中，第三道腰梁軸力最大，第一道軸力最小，最后四道腰梁略大于第一道，這是由于隨著開挖深度的增加，圍護樁變形逐漸增大(尤其是靠近基坑中下位置部分，如圖3所示) ，因此，導致下面的腰梁軸力比上面的大。

圖5 圈梁軸力

表2 圈梁最大彎矩和剪力

3 影響圍護結構受力的主要因素

由于砂卵石地層中井筒深基坑涉及的參數較多，需要在設計計算前對參數大小進行假定，這些參數假定的合理性將直接影響到計算結果。本節將結合數值分析手段，對排樁圍護結構的各重要組成部分的合理參數取值進行分析，為砂卵石地層中井筒式車庫深基坑的排樁圍護結構設計提供參考。

3.1 圍護樁樁徑

在不同圍護樁樁徑下(其他參數不變)，樁的側向水平位移及圈梁內力結果如圖6和表3所示。可見，相對其他樁徑而言，樁徑為0.8 m時圍護樁的側向位移量最大，且最不利腰梁的軸向壓力最大。在樁徑為1.2 m時，樁的側向位移與樁徑為1.5 m的側向位移相比只大12 %，而且最不利腰梁的軸力為最小。因此，綜合而言，對于本基坑，在樁心距與樁徑之比為1.25的情況下，選擇樁徑為1.2 m是相對較為合理的。

圖6 樁體側向位移

表3 最不利圈梁軸力

3.2 樁端嵌固條件

為分析不同嵌固條件對圍護樁的受力和變形的影響，模型嵌固深度取值分別為：5 m、8 m，同時采用砂卵石和泥巖兩種嵌固地層，最后得出不同嵌固條件下圍護樁的最大水平位移及最大彎矩情況，如表4所示。

從表4中數據可知，當嵌固在砂卵石地層的情況下，圍護樁彎矩和水平側移比基巖情況下偏大，其中最大側移量約增加了37 %；同時還可看出，在同樣的嵌固地層情況下，嵌固段長5 m、8 m對圍護樁內力、側向位移的影響并不顯著。其中在泥巖的情況下，嵌固深度在5 m、8 m時的樁體內力與位移幾乎沒有差別；在砂卵石的情況下，嵌固深度在5 m、8 m時的樁體內力與位移分別相差約在5 %之內。因此對于本基坑所處的砂卵石地層，圍護樁嵌入基巖5 m是一個合理的深度值。

表4 圍護樁不同嵌固條件下計算結果統計

4 結束語

通過對井筒式地下車庫圍護結構施工期間的變形和力學特性的模擬計算，得出如下結論：

(1)對于砂卵石土地層而言，其井筒式深基坑的圍護樁在基坑開挖過程中側向位移逐漸增大，且最大側向位移位置逐漸下降，最大位移出現在距離坑底0.35倍坑深處，其分布為兩端小中間大的分布形態。

(2)在基坑開挖過程中，冠梁和腰梁力均以軸力為主，彎矩和剪力較小。其中，冠梁軸力比其他腰梁軸力小。在各道腰梁中，第三道腰梁軸力最大，其值為第一道腰梁軸力的2.1倍。

(3)在不同樁徑下，圍護樁側向變形和圈梁的軸力隨樁徑的增大而減小，但其增大值變小，根據計算在本基坑中，樁徑為1.2 m較為合適。

(4)圍護樁嵌固端深度增大，對基坑圍護結構影響不大，并不能認為嵌固深度增加能增強基坑的穩定。但嵌固地層為泥巖時，圍護結構受力與變形要明顯好于砂卵石地層。