支護樁上裝配式鋼棧橋對深基坑影響的數值模擬驗算分析

王銘浩 王文通

中國建筑第二工程局有限公司 北京 100060

1 工程概況

1.1項目簡介

鄭州銀行金融服務中心工程施工總承包項目位于河南省鄭州市鄭東新區博學路東、白佛路北。工程設計地上塔樓5棟，其中西側設置2棟高82.4 m的塔樓，北樓為科創中心、南樓為培訓中心（賓館及配套），雙子樓之間為裙房，科創中心北側裙房為應急指揮中心；場地北側設置數據中心，高為49 m；東側為辦公樓，高37.1 m；東南側位置設置檔案中心，高度也為37.1 m。

1.2基坑概況

擬建場地自然地面絕對高程83.60～87.35 m，北高南低。結合場地現狀條件，基坑開挖前先整平場地，北側整平后絕對高程86.00 m，南側整平后絕對高程84.00 m。整體地下車庫，包含應急指揮中心、科創中心、培訓中心、檔案中心等，基坑開挖深度13.80～15.80 m，坑底標高70.20 m；數據中心基坑開挖深度2.60 m，坑底標高83.40 m；動力中心基坑開挖深度4.90～7.10 m，坑底標高78.90～81.10 m。工程所有基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

根據基坑周邊環境及基坑開挖深度，基坑形狀為不規則四邊形，樁錨支護結構段安全等級為一級，本基坑設計使用期限為12個月。

1.3基坑支護概況

南側鄭州銀行場地基坑6-6＇剖面采用雙排樁＋全長黏結型錨桿支護。樁徑800 mm，樁間距1.50 m，樁長27.80 m，基坑底面以上樁身范圍內共布置5排錨桿。

北側中原銀行場地基坑3-3剖面：采用排樁＋復合土釘支護，上部放坡坡率1∶0.6，樁直徑600 mm，樁長14.00 m，樁中心距1.50 m，設5道土釘，水平間距1.50 m。

1.4工程地質條件

根據巖土工程地質勘察報告和野外鉆探結果，經現場判別，并結合原位測試和室內土工試驗資料，將60.00 m勘探深度范圍內的地層物理性質自上而下分層統計后得知：在基坑開挖段范圍內，土層情況較好，利于工程建設。主要以粉土、粉砂和細砂為主，部分為粉質黏土。粉土和砂層密實程度上部多為稍密、中密，下部密實，力學性能較好，不存在軟弱土層。

1.5基坑段擬建鋼棧橋概況

根據現場的地形、地貌及實際情況，在基坑北側擬建1座裝配式公路鋼棧橋，全長為72 m，跨徑6 m，共計12跨，凈寬4.5 m。該橋采用321標準式6排單層上承式貝雷結構鋼橋[1]，間距為0.90 m×2＋0.45 m＋0.90 m×2排列；貝雷主梁上面鋪設4.5 m×1.5 m橫向橋面板，橋面兩側焊接護欄。貝雷主梁與樁梁2根40#工字鋼用小龍門焊接固定，橋面板與貝雷梁用橋面專用螺栓連接。

兩頭橋臺設置在第2層土上，中間鋼管樁設置在φ800 mm鋼筋混凝土灌注樁上，灌注樁呈1×2排列，樁頂設有冠梁，橫向間距2.4 m；2根40a#并焊工字鋼樁梁焊接在冠梁后置鋼板上[2]，三維效果圖如圖1所示。質量滿足100 t以下的車輛通行，限速15 km/h。

圖1 鋼棧橋BIM三維效果圖

2 數值模擬計算

2.1計算內容

為了更全面地反映工程現場的具體情況，采用數值模擬軟件進行建模計算。在本部分選用Midas有限元模擬軟件進行三維建模[3-5]，選用FLAC3D有限差分模擬軟件進行各工況計算[6-7]，選取長72 m鋼棧橋及其北側、南側基坑范圍進行三維仿真模擬。最大程度地使計算結果貼近實際情況。

對于長72 m鋼棧橋對現有圍護形式下的基坑影響的數值模擬計算，主要包括2部分計算內容：現有圍護形式（基坑開挖并支護）下，添加鋼棧橋荷載進行數值模擬計算；增加鋼棧橋后，橋面不同位置工況行車對基坑及其周邊影響的數值模擬計算。

2.2計算模型

結合工程地質條件，主要考慮在現有圍護形式下，鄭州銀行基坑6-6＇剖面雙排樁位置長72 m鋼棧橋對鄭州銀行基坑以及中原銀行基坑3-3剖面的影響，其計算結果對于基坑安全性模擬更具現實意義。

該三維地質模型共劃分7個組，合計1 001 041個單元，458 083個節點，網格類型為計算精度最高的混合六面體單元，各相鄰組網格耦合。土釘cable結構單元共計200個，cid節點800個；錨桿cable結構單元共計200個，cid節點800個。模型如圖2所示。

圖2 模型透視（開挖后）及冠梁＋排樁圖

1）地基模型簡化：地基土模型尺寸取為x=34.92 m，y=60.90 m，z=35.00 m，北側樁錨支護樁徑0.60 m，水平間距1.50 m，樁長14.00 m，土釘水平和豎向間距均為1.50 m。南側雙排樁間距2.40 m，水平間距1.50 m，樁徑0.80 m，樁長27.20 m，錨桿水平和豎向間距分別為1.50 m和2.00 m。各土層按表3中層厚分組。

2）邊界條件：采用了擴展土體的方法，計算模型底部（z=0 m）固定，采用z約束，限制底部土體單元的豎向位移；模型側面（x=0 m，x=34.92 m，側面固定，采用x約束，限制側面單元的x方向位移；模型側面（y=1.36 m，y=61.92 m，側面固定，采用y約束，限制側面單元的y方向位移；模型頂部采用自由邊界。調用標準邊界條件即可滿足要求。

3）初始條件：計算模型進行初始化運算，現有圍護形式下，地基自重固結已經完成，并且將自重產生的位移和變形速率歸零處理。

4）本構關系：地基土選用摩爾-庫侖模型，模擬地基的彈塑性變形和應力應變；冠梁、排樁、橋體采用彈性模型；土釘、錨桿調用FLAC3D cable結構單元模擬。

2.3計算參數

計算參數主要有摩爾-庫侖模型的基本參數：彈性模量E、泊松比μ、內摩擦角φ、內聚力c、剪脹角ψ、滲透系數k；FLAC3D結構單元主要有軸向剛度EA、抗彎剛度EI、等效厚度D、重度w、泊松比μ；點對土釘和錨桿主要有軸向剛度、水平間距和預應力等參數。土體本構模型采用摩爾-庫侖模型，冠梁、排樁和橋體采用彈性模型，土釘和錨桿采用FLAC3D cable結構單元。

三維地基模型中，鄭州銀行基坑冠梁＋雙排樁、中原銀行基坑冠梁＋單排樁和長72 m鋼棧橋的重度均為24.0 kN/m3，體積模量均為16 700 MPa，剪切模量均為12 500 MPa。

2.4模擬過程

現狀條件下，鄭州銀行基坑開挖支護完畢，中原銀行基坑南側鄰近長72 m鋼棧橋已經放坡，第1層土釘和單排樁已施工完畢，基坑開挖4.75 m；本模型主要計算鄭州銀行基坑西北側擬建長72 m鋼棧橋對基坑6-6＇剖面以及中原銀行基坑3-3剖面基坑開挖對長72 m鋼棧橋的影響，并進行基坑安全數值模擬。

添加長72 m鋼棧橋和車輛荷載對基坑的影響作為工況1（開挖4.75 m，施工鋼棧橋），將中原銀行基坑開挖對鋼棧橋影響工況劃分為3個工況，依次為：工況2開挖1.85 m，施工第2、3層土釘；工況3開挖2.0 m，施工第4層土釘；工況4開挖1.4 m，施工第5層土釘。

2.5結果分析

三維數值模擬計算中鋼棧橋表面車輛荷載加載位置詳見圖3；各工況不同部位水平位移和豎向位移、車輛不同位置基坑整體變形統計值詳見表1。

圖3 鋼棧橋表面車輛荷載加載位置

表1 基坑及鋼棧橋變形統計

從表中可以看出：基坑整體最大沉降量為1.81 mm（工況4），最大隆起量為30.01 mm（工況4），水平位移最大值為7.62 mm（工況3），最小值為－4.73 mm（工況4）；基坑冠梁＋排樁最大沉降量為0.23 mm（工況3），最大隆起量為2.21 mm（工況4），水平位移最大值為3.32 mm（工況4），最小值為－2.94 mm（工況4）；土釘錨桿最大沉降量為0.75 mm（工況4），最大隆起量為16.07 mm（工況3），水平位移最大值為0.67 mm（工況4），最小值為－0.14 mm（工況4）；鋼棧橋最大沉降量為0.49 mm（工況3），最大隆起量為0.75 mm（工況3），水平位移最大值為2.46 mm（工況4），最小值為－0.10 mm（工況1）。

通過三維數值模擬，在現有圍護設計的支護方案上，質量為100 t的車輛在以15 km/h通行的情況下，長72 m鋼棧橋施工對基坑的影響（工況1）表現為隆起量最大值為1.85 mm，沉降量最大值為0.43 mm，水平位移最大值為1.70 mm；質量為100 t的車輛在以15 km/h通行的情況下，在北側中原銀行項目基坑開挖及支護過程中，對鋼棧橋的擾動變形表現為鋼棧橋沉降量最大值為0.49 mm，隆起量最大值為0.75 mm，水平位移最大值為2.46 mm；基坑與鋼棧橋的相互影響均在控制范圍以內（依據GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》），搭建鋼棧橋不影響深基坑的正常使用。

3 結語

基于有限元模擬軟件Midas及有限差分模擬軟件FLAC3D有限差分模擬軟件進行各工況計算，對長72 m鋼棧橋及其北側、南側基坑范圍進行三維仿真模擬。計算結果表明：各工況情況下，深基坑及鋼棧橋的沉降量、隆起量和水平位移數值均在控制范圍內，鋼棧橋的施工對基坑的影響很小，在按設計進行開挖支護時，中原銀行項目基坑的開挖對鋼棧橋的影響很小，鋼棧橋滿足安裝要求，并且深基坑可正常使用。