深基坑混凝土支撐位置對灌注樁變形的影響研究

吳子瀛，周留坤，欒小旭，楊 陽

(中國建筑第八工程局有限公司文旅博覽投資發展有限公司,江蘇 南京 210000)

隨著高層建筑的快速發展,為滿足高層建筑的停車需求,深基坑工程越來越多地出現在住宅項目中,為確保住宅項目周邊地下管線和交通干線的安全,必須嚴格要求基坑支護方案[1-2]。針對不同地質條件下的深基坑工程,不同支撐形式也隨之應運而生。鉆孔灌注樁因其施工工藝簡單、質量易控制等優點在深基坑工程中得到廣泛應用。在影響深基坑安全的眾多因素中,灌注樁變形的監測是重中之重[3]。在影響灌注樁變形的眾多因素中,混凝土支撐位置的選擇又是重中之重[4]。因此,有必要通過研究不同的混凝土支撐的位置對灌注樁變形來評價深基坑的安全性。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

本工程位于南京市江寧區,場地內大部分為荒地,局部為拆遷地,地形稍有起伏。由巖土勘察報告可知,內地層可分為3大層,9小層,各巖土土體特征見表1。

表1 工程地質層分布與特征描述一覽表

續表

土層物理參數見表2。

表2 各土層物理參數

本工程基坑支護形式為：基坑采用排樁φ800@1 200鉆孔灌注樁+一道鋼筋混凝土支撐的支護體系。本基坑長172.6 m,寬125.2 m,周長585.2 m,面積約為1.89萬m2,基坑支護平面布置圖見圖1。

1.2 支護結構形式

現自然地面絕對標高為11.00 m,基坑開挖深度9.80 m,開挖至標高1.20 m處。

基坑開挖過程采用干成孔鉆孔灌注樁加一道支撐支護體系,基坑采用樁徑0.8 m排樁,樁間距1.2 m,設計樁長為16.5 m。內支撐系統采用鋼筋混凝土構件,支撐中心標高為10.10 m。主支撐截面為0.7 m×0.8 m,采用C35混凝土澆筑。

1.3 開挖方式

本工程基坑開挖共分為三個階段,第一階段開挖至支撐地面標高并留有10 cm墊層位置,第二階段開挖至加撐,第三階段開挖至基坑底部。混凝土支撐示意見圖2。

2 理論計算

2.1 參數確定

本文采用理正巖土結構設計分析軟件對本工程進行受力分析,取地面標高為相對標高零點。荷載取20 kN·m,混凝土支撐位置距離樁頂距離分別為1.0 m,2.0 m,3.0 m,3.5 m和4.0 m。基于彈性法土壓力模型和經典法土壓力模型,對灌注樁在不同混凝土支撐位置的位移以及內力情況進行分析。

2.2 分析方法

深基坑土方開挖本質即減少基坑開挖面上的荷載,由于基坑底面上荷載減小,坑底土體受力平衡被打破,坑底土體被向上抬起,兩側土壓力形成壓力差,從而導致支護結構向基坑內側產生位移。

本文采用彈性地基梁法[5],彈性法改進了常規的被動土壓力計算。其計算原則是對支護結構的位移進行控制,使得內側土壓力不可能全部變為被動土壓力,而實際上仍處于彈性抗力階段。因此,將外側主動土壓力看作施加在支護結構上的水平荷載,用彈性地基梁法對其進行改進。支撐采用施加位移約束的條件,假設支撐是剛性的,只考慮支撐位置的影響。先開挖,后加設支撐,再繼續開挖。在本方法中,已施加的支撐只對后續開挖起作用,即支撐位置作用之前已開挖的土體應力全部釋放。基坑基床系數的選取對計算值的精確程度有影響[6]。彈性土壓力模型如圖3所示。

3 結果分析

本工程中,開挖深度為9.8 m為最不利情況。為了研究最不利條件下的灌注樁變形與內力情況,根據理正的計算結果分析,得到分別在兩種土壓力模型、不同混凝土支撐位置條件下的灌注樁位移隨著深度的增加的變化曲線如圖4所示。彎矩及剪力曲線如圖5,圖6所示。

為了研究不同混凝土支撐梁位置對灌注樁變形性能的影響,本文從不同支撐位置下的灌注樁樁身位移、樁身彎矩以及樁身剪力三個方面進行對比研究,并對不同支撐位置下的樁身最大位移、最大彎矩以及最大剪力進行對比研究(見圖7—圖9)。

從圖4中可以看出,當混凝土支撐豎向間距從1 m增加至2 m,3 m,3.5 m和4 m,其樁身最大位移從5.4 mm下降至4.4 mm,3.6 mm,4.1 mm和3.6 mm,下降幅度分別為18.5%,33.3%,24.1%和33.3%。當支撐位置位于4 m時,樁身最大位移為各組中最小,為3.6 mm,樁頂位移為各組最大,為3.6 m,即樁身最大位移出現在樁頂位置。隨著混凝土支撐的豎向間距逐漸增大,樁頂水平位移逐漸增大,樁身最大位移逐漸減小。因此,適當增加混凝土支撐豎向間距對基坑的穩定是有利的。劉潤等[7]研究了支撐位置對基坑整體穩定性的影響研究,結果發現,支撐位置的調整對位移增長過程、位移量以及最大位移的位置有較明顯的影響,對彎矩的增長、分布形態和數值有一定的影響,但影響幅度不大,對軸力影響較為顯著。

從圖5可以看出,當混凝土支撐豎向間距從1 m增加至2 m,3 m,3.5 m和4 m,其樁身最大負彎矩從135 kN·m,分別下降至126 kN·m,108 kN·m,99 kN·m和90 kN·m,分別降低了6.7%,20%,26.7%和33.3%;最大正彎矩從82.5 kN·m,分別下降至72 kN·m,66 kN·m,64 kN·m和60 kN·m,分別降低了12.7%,20%,22.4%和27.3%。各組樁身皆出現正負彎矩交替出現的情況,當混凝土支撐豎向間距為4 m時,樁身彎矩由正變負再到正。隨著混凝土支撐豎向間距的增加,樁身的最大正負彎矩都呈現縮小的態勢,且最大正負彎矩出現的位置也隨著支撐位置的變化而變化。由此可見,支撐位置變化會影響樁身的彎矩分配,在本工程中,僅從彎矩大小角度分析,適當混凝土支撐的豎向間距對基坑的穩定是有利的。劉潤等[7]研究了單支撐條件下,不同支撐位置對圍護結構的影響,結果發現,隨著支撐位置的下降,彎矩的峰值從原來在端部的負彎矩,變化到有正負彎矩兩部分,即支撐位置附近的最大正彎矩不斷增大,但基坑附近的最大負彎矩不斷減小,適當降低支撐位置有利于提高基坑的穩定性。

從圖6可以看出,當混凝土支撐豎向間距從1 m增加至2 m,3 m,3.5 m和4 m,其樁身最大剪力從72 kN,下降至66 kN,56 kN,53 kN和50 kN,分別降低了8.3%,22.2%,26.4%和30.6%。在支撐的作用下,樁身剪力發生突變,并出現3個正負剪力峰值。當支撐豎向間距從1 m增加至2 m,3 m,3.5 m和4 m,第一剪力峰值從9 kN上升至30 kN,35 kN,40 kN和43 kN,分別上升了233.3%,288.9%,344.4%和377.8%,第二個剪力峰值變化即最大剪力變化,隨著支撐豎向間距的增加呈現下降趨勢,第三個剪力峰值從32 kN下降至30 kN,21 kN,18.6 kN和16 kN,分別降低了6.3%,34.3%,41.9%和50%。譚志偉等[8]研究發現,降低支撐的位置能減小支護結構的變形和彎矩,但會使支撐軸力增大。

根據上述分析可知,灌注樁樁身的最大位移、最大彎矩以及最大剪力均隨著混凝土支撐的豎向間距的增大而減小,同時,最大彎矩與最大剪力出現的位置也隨著混凝土支撐位置的變化而變化。在本工程中,當支撐豎向間距為4 m對基坑的穩定最為有利。洪慶儒等研究了不同混凝土支撐位置對支護結構變形及內力的影響,結果發現,隨著混凝土支撐位置的加深,樁身的最大剪力與彎矩也逐漸減小,并且發現,當僅有一道混凝土支撐時,存在一個合理位置,當豎向間距過大時,樁身的變形和受力接近于懸臂梁。

4 現場實測

根據上文分析,本工程采取混凝土豎向支撐間距為4 m,為了進一步驗證豎向支撐間距為4 m時的灌注樁的變形情況,現場實測人員在灌注樁豎向布置多個監測點,在混凝土不同齡期記錄下現場實測的水平位移,現場實測位移與模擬位移比較如圖10所示。

從圖10中可以看出,基坑開挖完成后,隨著齡期的增長,樁體的變形逐漸趨于穩定,且隨著齡期的增長,樁體位移逐漸增大。隨著齡期的增長,土體的應力增長趨于穩定,且混凝土本身的彈性模量趨于穩定,最終樁身位移趨于穩定。實測監測數據隨著開挖深度的增加,其樁身位移變化規律基本與理正計算值變化規律類似。

5 結論

以實際工程為例分析了深基坑環境下,不同的混凝土支撐豎向間距對灌注樁樁身的變形以及內力的影響規律,得到的結論如下：

1)隨著混凝土支撐豎向間距的增大,樁頂水平位移增大,樁身最大位移減小,在本工程中樁身最大位移出現位置受豎向間距影響不大,適當增大支撐豎向間距有利于提高基坑穩定性。

2)隨著混凝土支撐豎向間距的增大,樁身彎矩由負正變換變為正負正變換,樁身最大正負彎矩皆減小,在本工程中樁身正負最大彎矩出現位置受豎向間距影響不大,即適當增大支撐豎向間距有利于提高基坑穩定性。

3)隨著混凝土支撐豎向間距的增大,樁身剪力出現三個峰值,第一個剪力峰值隨著支撐豎向間距的增大而增大,第二個剪力峰值(最大剪力)隨著支撐豎向間距的增大而減小,第三個剪力峰值在支撐間距為4 m時最小,即適當增大支撐豎向間距有利于提高即基坑穩定性。

4)本研究適用于開挖深度為10 m左右的粉質黏土基坑工程,若要使支撐豎向間距的選擇滿足經濟、技術上的最優選擇,需要后續進行更為細致的研究,并合理選擇支撐的豎向間距。

綜上所示,在一定范圍內,適當增大混凝土支撐豎向間距有利于提升基坑穩定性。