緊鄰建筑深基坑雙排微型樁復合土釘墻支護研究

2023-09-14 02:40:04王亞坤王安明李月浩陳泰霖楊永香

水利與建筑工程學報 2023年4期

王亞坤,王安明,李月浩,陳泰霖,楊永香

(1.華北水利水電大學,河南鄭州 450046;2.大成工程咨詢有限公司,河南鄭州 450003;3.河南水利與環境職業學院,河南鄭州 450008)

隨著城市化進程的不斷加速,城市土地資源越發緊缺,發展地下空間、高層建筑是一種不可避免的趨勢,其中出現了大量的深基坑支護工程,這些深基坑常常緊鄰老舊建筑物,因此選擇安全且經濟的支護方式顯得非常關鍵。當基坑周邊環境復雜特別是緊鄰建筑物時,常見的支護形式可以選擇樁錨支護、鋼管或混凝土內支撐、地下連續墻等,這些支護方式都屬于剛性支護方式,特別適合于對周邊環境變形要求嚴格的基坑工程,但是這些支護方式造價比較高,施工污染嚴重[1-4]。

復合土釘墻是近年來在土釘墻基礎上發展起來的一種新型支護結構,它是將土釘墻與一種或幾種單項支護技術(預應力錨桿、微型樁等)有機組合成的復合支護體系,其將柔性支護與剛性支護相結合,既能吸收勁性鋼管樁穩定性好、變形小、施工安全的優點,又吸收了土釘墻支護工藝施工簡單、工期短、造價低的優點,因有鋼管樁做豎向骨架,抵御基坑邊坡土體的應力釋放,能夠很好的適應周邊環境對基坑變形的要求,特別是建筑基坑緊鄰管線、道路以及周邊建筑物的工程應用效果更好[5-7]。

基于預應力錨桿和微型鋼管樁的復合土釘墻支護方式目前已經有一些典型的應用。郭愛云[8]介紹了北京康復中心綜合樓基坑工程,其基坑開挖深度為12.4 m,臨近周邊建筑物和地下管線;李良成等[9]介紹了洛陽某項目基坑工程,其基坑開挖深度為9.0 m～11.5 m,電信管距離坡頂最近約3 m;許鳳光[10]介紹了某市新建污水廠項目基坑工程,其基坑開挖深度為10.4 m,周邊建筑物距離最近約2.7 m;李冬等[11]介紹了成都市成華區東三環四段外側基坑工程,周邊無重要建筑,基坑開挖深度為10.5 m;其他的還有一些基坑其開挖深度較大但周邊環境比較簡單,或基坑開挖深度不大但基坑距離周邊建筑物比較近,采用這種方法也取得了良好的效果[12]。雖然基于預應力錨桿和微型鋼管樁的復合土釘墻支護方式在實際工程中得到較多的應用,但這些基坑工程基本都是開挖深度較小或者其周邊環境比較簡單,而且都是一些基坑支護設計施工的介紹,缺乏對其加固機理的進一步研究,現場工程事故時有發生[13]。

本文研究的鄭州市某大型深基坑工程,其開挖深度達到15 m,距離臨近周邊建筑物4.6 m,提出了一種基于雙排微型鋼管樁的復合土釘墻加固方法,通過數值模擬和現場監測研究了其加固機理和工程實踐。

1 工程概況

該工程場地位于鄭州市某繁華區,場地是拆遷場地,為一住宅區基坑開挖工程,形狀平坦、較規則。基坑南側、西側為已建成七層居民樓建筑,現場狀況如圖1,擬建工程基坑深度為正負零以下15 m。

圖1 基坑工程現場

基坑主要環境條件為北側地下室邊線距離紅線約6 m,距離已有建筑約25 m;東側地下室邊線距離興華南街邊線約5 m,距離紅線約5 m;南側地下室邊線距離已建成多層建筑約24 m,距離紅線約15 m;西側地下室邊線距離已建成多層建筑最窄處約11 m,西側基坑邊緣距離隔壁小區圍墻僅1.1 m,基坑支護部分平面圖,如圖2。

圖2 基坑支護平面圖

1.1 地質條件

工程場地地貌單元為黃河二級階地,屬泛濫沖積平原,施工場地地形平坦,形狀規則,基本無起伏,對基坑支護有影響的土層主要有五層,各土層分布及參數見表1。地下水穩定水位埋深27.0 m,一般水位年變幅1.0 m左右,近3～5年中較高水位為25.0 m,因此本基坑設計施工中不考慮降水。

表1 土層物理力學參數取值表

1.2 支護方案

根據有關規范標準,本著“安全第一、經濟合理、節省工期、施工便利”的原則,結合本基坑支護工程西側距七層舊居民樓及圍墻位置較近、周邊環境復雜,擬定基坑西側緊鄰建筑物位置附近作為本次研究的重點部位,提出了一種雙排微型鋼管樁復合土釘墻基坑支護結構,支護設計剖面圖如圖3所示,①微型鋼管樁直徑0.3 m、長18.0 m,呈兩排布置,內置89 mm壁厚4.0 mm以上的鋼管;②土釘墻支護為第一、二、四、五、七、八、十、十一排,土釘基本參數為直徑120 mm、長12 m、傾角10°、水平間距1.3 m,鋼筋選用1根直徑20 mm的三級鋼筋,除第一排土釘長度為6 m外,其余為12 m;③錨桿支護為第三、六、九排,錨桿基本參數為直徑150 mm、傾角10°、自由段12 m、錨固段6 m、預應力80 kN,鋼筋選用1根直徑25 mm的三級鋼筋,其中豎向間距為1.3 m。

圖3 基坑西側支護設計剖面圖(單位:m)

2 數值模擬

2.1 模型建立

為進一步研究雙排微型鋼管樁復合土釘墻支護結構的加固機理,采用FLAC3D[14]軟件進行了數值模擬,選取安全等級為一級的基坑西側作為研究對象,建立模型如圖4所示,設朝向基坑的方向為X方向,平行基坑側壁的方向為Y方向,豎直方向為Z方向。本基坑模型中,在Y方向選取6組12根微型鋼管樁的影響范圍來進行分析,距離坑底側壁30 m位置處,設定為X=0.00點,模型X方向長度為60 m,Y方向寬度取13 m,Z方向深度取30 m。本模擬模型共劃分了61 640個單元,71 870個節點,并且設置了80個結構單元,包括cable單元和pile 單元。

圖4 基坑模型圖

2.2 邊界條件

FLAC3D共有兩套邊界系統,一套是假定的邊界系統,用以確定網格模型的計算范圍;另一套關于模型的速度場、位移場、溫度等真是存在的物理邊界[15]。本模型的邊界條件確定如下:模型頂部為自由邊界,模型底部即Z=0處X方向、Y方向、Z方向采用固定約束;模型的X=0和X=60 m的邊界采用垂直于邊界方向為固定約束,平行于該邊界方向自由變形;模型的Y=0和Y=30 m的邊界采用垂直于邊界方向為固定約束,平行于該邊界方向自由變形。

2.3 參數選取

根據設計方案,在本次模擬中土體的本構模型采用理想的摩爾-庫侖模型;微型鋼管樁采用pile結構單元來模擬,直徑300 mm,樁間距2 m,呈兩排布置,其材料按彈性材料考慮,重度為29.55 kN/m3,泊松比μ為0.21,彈性模量E為3.83×107kN/m2;土釘和錨桿采用cable結構單元來模擬,密度ρ為2 561 kg/m3、泊松比μ為0.206、彈性模量E為2.52×107kN/m2;混凝土面層厚度為100 mm,按彈性材料考慮,彈性模量E為2.3×107kN/m2,泊松比μ為0.2,重度為25 kN/m3。

2.4 開挖工況

根據基坑開挖和支護的實際施工過程,采用“邊開挖邊支護、先開挖后支護”的原則進行,考慮分層開挖的施工過程,數值模擬中共分6個工況進行計算,如表2所示。首先需要進行初始地應力平衡,之后分5次進行開挖支護模擬計算,開挖后依次進行微型鋼管樁、土釘、錨桿、混凝土面層等模擬,直至開挖到基坑設計深度,具體位置見支護設計剖面圖3。

表2 施工過程模擬表

3 計算結果分析

3.1 位移分析

3.1.1 基坑水平位移分析

基坑開挖到底后整體水平位移分布如圖5所示。由圖可知,基坑開挖到底后,基坑整體的最大水平位移為3.64 mm, 位于基坑開挖深度12.5 m處,小于安全等級為一級的基坑最大水平位移預警值35 mm。基坑側壁水平位移總體上呈現分層性、頂部小、中下部大的形式,具體表現為基坑側壁輕微向右變形,在同一水平高度,距離基坑側壁越遠,右側土體水平位移越小,在一定范圍內,位移等值線呈“半鴨蛋狀”,從整體來看,基坑的變形較為穩定,處于安全可控的范圍內。

圖5 基坑開挖到底后水平位移分布規律圖(單位:m)

在基坑與臨近建筑物最小距離的直線上取不同開挖工況下S1～S5(如圖2)五個點的水平位移,圖6為水平位移與距基坑邊距離曲線圖,由曲線圖可知距離基坑越近水平位移越大,當距基坑邊距離大于5 m時,各工況下水平位移的大小依舊滿足上述結論,但是此時各工況下水平位移結果相差較小,符合實際情況,也說明數值模擬合理,在實際施工時,應嚴格執行基坑坡頂附近的位移監測,保證施工安全。

圖6 水平位移-距基坑邊距離曲線圖

3.1.2 基坑豎向位移分析

基坑開挖到底整體豎向位移分布如圖7所示,負值表示基坑沉降,正值反之。由圖可知,隨著離基坑側壁距離的增加,基坑底部隆起逐漸增大,基坑最大隆起出現在基底遠離墻壁的位置,最大豎向位移值為6.02 mm,小于一級基坑的最大豎向位移報警值35 mm,基坑底部的隆起可能是由于開挖卸載作用造成的,基坑最大沉降則出現在地表遠離基坑坡頂的位置,最大沉降值為1.17 mm,遠遠小于規定的報警值25 mm,基坑整體穩定性較好。

圖7 基坑開挖到底豎向位移分布規律圖(單位:m)

同水平位移,如圖8為豎向位移與距基坑邊距離曲線圖,可知S1、S2、S3三處位置表現為隆起,最大隆起值小于3.5 mm,滿足規范要求,出現隆起的原因可能是支護的作用,且隨著施工的進行隆起值不斷增加;S4、S5位置處表現為沉降,其距離臨近建筑物較近,出現沉降符合實際情況,且沉降值最大小于2 mm,完全符合規范要求,建筑物穩定性良好,據實際現場走訪情況,無地面和墻體裂縫,進一步表明支護設計合理安全可靠。

圖8 豎向位移-距基坑邊距離曲線圖

3.1.3 CX1深層水平位移監測分析

深層水平位移是最能直接反應基坑安全狀態的指標之一,可以清晰的了解支護樁體在不同時間和不同深度處的水平位移情況,進而判斷圍護結構的安全狀況[16]。此次選擇CX1監測點位于基坑西邊,即本次建模模擬的位置,從圖9分析可知,在基坑開挖初期變化較小,在10月27號到11月9號時間內,深層水平位移從1.4 mm增到2.7 mm。此時雙排微型鋼管樁施工完成并進行第二步開挖,立即施加第一排錨桿后,CX1測孔變形速率大大減緩。另外基坑開挖至底部變形量達到最大5.2 mm,出現最大變形量位置深度為1 m,6 m、14 m處累計變化量出現極值,分別為5.2 mm、1.52 mm、0.43 mm,由此可以看出隨著基坑開挖的不斷加深,在不同深度開始出現變化極值。

3.1.4 坡頂豎向位移分析和水平位移

選取距CX1較近的坡頂豎向和水平位移監測點S11,監測值與數值模擬值對比如圖10所示。S11坡頂豎向位移和水平位移隨著時間的增長而增長,監測值和模擬值走向和發展趨勢大致相同,局部地方出現了較小不吻合,模擬值整體上大于監測值有利于保證基坑支護設計方案安全性、可靠性。其原因可能是土體參數選取的誤差、支護參數的不同、模擬開挖過程時的網格劃分、邊界條件假定的不同等[17]。從基坑開挖到目前的巡視結果來看,基坑側壁和周邊環境未發現新的變形裂縫,基坑監測數據和巡視結果均表明基坑開挖對周邊環境影響很小,與數值模擬結果對應,該支護方案是可靠的。

圖10 基坑西側監測點S11坡頂位移-時間曲線圖

3.1.5 臨近建筑物沉降分析

圖11為基坑研究部位建筑物沉降隨時間變化的情況(監測點位置見圖2)。可以看出,建筑物沉降隨時間逐漸增加,累積沉降量在前期發展很慢,在中期增加較大,最大沉降值僅為2.16 mm,遠低于標準值,微型鋼管樁復合土釘墻的支護方式極大程度上對基坑臨近建筑物的沉降起到了制約作用。其中C1、C4布置于靠近基坑的一側,C2、C3布置于建筑中部,可以看出臨近基坑的一側沉降大于建筑物中部沉降,特別是在基坑開挖到底后,C1、C4沉降監測點數據呈直線下降,在打入錨桿后到12月25日左右建筑物沉降穩定,在后期沉降觀測中未發現大的變化,基坑保持穩定。

圖11 建筑物沉降-時間曲線圖

3.2 雙排微型鋼管樁軸力分析

圖12所示為不同開挖階段雙排微型鋼管樁的軸力變化規律圖。

由圖12分析可知,內外側樁聯合作用于土體,起到對基坑側壁的支護作用,雙排微型鋼管樁軸力最大值出現在內側樁,主要分布在開挖土體的基坑側壁底的內側微型鋼管樁的上部,雙排微型鋼管樁在土體開挖前已經用于支護土體,因此每層土體剛開挖完成時土體的作用力主要由微樁來承擔。工況1和工況2開挖較淺,不做討論,從工況3至開挖到底,軸力最大值分別為451.5 N、442.0 N、428.3 N、396.3 N,可以看出隨著開挖深度的增加最大軸力值呈減小趨勢,同時隨著每一工況開挖量增加,最大軸力值減少量呈現倍數增加,原因在于隨著基坑開挖的加深每排錨桿和土釘逐漸參與受力,微型樁最大軸力值逐漸減小,即每個工況下打入的土釘和錨桿逐漸參與支護。

圖12 不同開挖階段微型鋼管樁的軸力變化規律圖

3.3 雙排微型鋼管樁彎矩分析

圖13所示為基坑模擬開挖開挖到最后兩個工況的微型鋼管樁樁身彎矩分布規律圖,分別是10.5 m和15.0 m,規定受拉為正彎矩、受壓為負彎矩。由圖13(a)、圖13(b)圖可以得出,微型鋼管樁整體彎矩值變化大致為正-負-正的規律,整體呈現斜“W”形分布,內外兩側微型鋼管樁樁身彎矩分布規律基本一致,彎矩零點出現在基坑工程底部15.0 m附近,樁身最大彎矩為負值,位于基坑開挖面以下8 m左右,且內側樁彎矩大于外側樁彎矩,內側彎矩大小為20.5 kN·m,外側彎矩大小為16.2 kN·m,整體來看內外兩側微型鋼管樁彎矩值相差較小,共同發揮支護作用。