逆作法施工中外包混凝土樁柱受力性能影響因素分析

楊凱鈞

（廣州大學市政技術學院， 廣東 廣州 510000）

0 引言

逆作法是自上而下逐層施工的施工工藝，首先沿準建建筑物四周施工地下連續墻或排樁作為圍護結構，同時在區域內部施工樁柱作為豎向支撐體系，再分層開挖土體并構筑水平分界梁板體系[1-2]。與傳統的順作法相比，逆作法可地上地下同時施工，有效的縮短了建設工期；揚塵少、噪音小，且節省場地空間，創造了良好的社會效益[3-4]。逆作法施工中的水平支撐將成為永久的地下室梁板體系，豎向支撐臨時立柱可通過外包混凝土作為主體結構柱的一部分[5]。為避免外包混凝土樁柱受力破壞引起主體結構失穩的發生，使對采用逆作法施工的外包混凝土樁柱的受力性能的研究變得至關重要。

1 工程概況和數值模型建立

1.1 工程概況

本文將依托三層地下室工程，該地下室為長510m，寬16m 的矩形建筑，總建筑面積為25800 ㎡，每層層高均為5.2m。基礎形式采用筏板基礎，主體結構為板柱體系，柱網為6m×6m，立柱樁為直徑600mm 的鉆孔灌注樁，立柱為480mm×480mm 的矩形截面，底板和頂板厚550mm，中間板厚350mm，利用厚800mm 的地下連續墻作為地下室外墻。水文地質條件見模型參數的選取。地下室采用蓋挖逆作法逐層施工，逐層構筑。

1.2 模型建立

利用數值分析軟件FLAC3D 建立三層地下室的有限元模型，分析外包混凝土強度及外包尺寸對包樁柱受力性能的影響，并判斷二者影響的程度。

1.2.1 模型基本假定

模型中假設土層及構件材料均勻且各向同性，不考慮地下水的作用，也不考慮場地時間及空間的影響，僅作簡單的單因素影響分析[6]。

1.2.2 模型本構及材料參數的選取

為了計算的精確性及收斂速度，模型長、寬邊界至開挖邊緣的距離各約取開挖深度的3～5 倍，模型高取開挖深度的兩倍[7]，即模型尺寸長×寬×高為600m×50m×30m。模型中土體采用彈塑性摩爾庫倫本構，樓板采用板單元，立柱采用梁單元，立柱采用桁架單元。土層主要參數及結構構件力學參數如表1、表2 所示：

表1 各土層的主要參數

表2 結構構件的主要力學參數

2 施工工況劃分

在實際中，地下工程施工受眾多因素影響，有主觀上的操作影響，也有如天氣變化、周邊環境等客觀因素的影響。雖然數值模擬并不能完美還原實際，但通過簡化工序，考慮主要因素，忽略次要因素，不僅可以保證分析結果的準確性，還可大大減小工作量[8]。模型施工工況如表3 所示：

表3 模型施工工況設置

3 外包混凝土尺寸對包樁柱的受力影響分析

采用單因素分析法，選定C30 混凝土作為樁、柱的混凝土強度等級，確保是在二者混凝土強度相同的前提下，分析不同外包尺寸對包樁柱的受力影響。對比參數見表4：

表4 外包混凝土尺寸變化

我們只提取某一包樁柱上部的壓應力、壓應變和最大位移數據，并將其繪制成曲線圖，分析結果規律。應力、應變、最大位移變化趨勢如圖1 所示：

圖1 外包尺寸對包樁柱受力影響

通過觀察尺寸不同的外包混凝土樁柱應力、應變、最大位移的變化情況可知：隨著外包混凝土尺寸的增大，包樁柱頂部的應力、應變、最大位移逐漸減小，且外包尺寸由120mm×120mm 增加至150mm×150mm 時其變化量最明顯，后隨著尺寸增加三值變化幅度相應減小，由240mm×240mm 增加至270mm×270mm 時變化幅度甚微。相對來說，外包混凝土尺寸的改變對壓應力的影響最顯著，對壓應變的影響次之，對最大位移的影響最小。在確保結構安全穩定的前提下，從考慮經濟成本的角度出發，選擇250mm×250mm 的外包混凝土尺寸最適當。

4 外包混凝土強度對包樁柱的受力影響分析

為分析不同外包混凝土強度對包樁柱受力變形的影響，選定外包混凝土尺寸為250mm×250mm，C25、C30、C35、C40、C45、C50 這幾種常見標號的混凝土強度作為參數變化進行對比分析，如表5，將其結果繪制成柱狀圖，其值如圖2所示：

表5 外包混凝土強度變化

圖2 外包混凝土強度對包樁柱受力影響

由圖可知，在混凝土外包尺寸不變的情況下，包樁柱頂部壓應力隨混凝土強度等級的提高而變大，而混凝土強度等級由C45 提至更高等級時，其壓應力變化已不再明顯。壓應變和最大位移隨著混凝土強度等級的提高而變小，由C30 提高至C35 時，二者變化不大?；炷翉姸鹊燃夁_到C40 時，混凝土強度等級的提高對應力、應變變化并不明顯，由此可知一味的提高混凝土強度等級并不是保證包樁柱安全穩定最的佳辦法，應合理結合其它影響因素一并考慮。

5 結語

通過前述分析和總結，我們可以得出幾個主要結論：包樁柱的壓應力、壓應變、最大位移隨外包混凝土尺寸的增大而減小，且對壓應力的影響最大，對最大位移的影響最小，但考慮經濟問題，本模型下外包尺寸選擇250mm×250mm 最適當。隨著混凝土強度等級的提高，包樁柱壓應力逐漸增大，壓應變及最大位移逐漸減小，混凝土強度等級達到C40 時，壓應力及壓應變受其影響不再明顯，包樁柱的安全穩定并非純粹的提高砼標號，要結合其它因素一并考慮。