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 季  璇，高全臣，楊  卓，付涵露，馮大沖，王洪波

 （中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京  100083）

[摘要]應(yīng)用巖土丁程有限元軟件MIDAS/GTS，采用Hardening-soil土體本構(gòu)關(guān)系模型結(jié)合長(zhǎng)沙中青廣場(chǎng)深基坑工程實(shí)例，模擬H型雙排樁基坑支護(hù)全過(guò)程，分析了水平位移的變化特征和剪力彎矩的受力特點(diǎn)，并針對(duì)單排樁支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了方案比選，證明了在控制水平位移和變形方面H型雙排樁相比于單排樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯。

 [關(guān)鍵詞]基坑；支護(hù)；H型雙排樁；數(shù)值模擬

 [中圖分類(lèi)號(hào)]TU475 [文章編號(hào)]1002-8498（2016）07 -0070 -04

0  引言

 在基坑工程施工中，經(jīng)常發(fā)生因?yàn)橥饨绛h(huán)境或者特殊土層的限制導(dǎo)致常規(guī)支護(hù)方法如錨桿、土釘墻、支撐等無(wú)法實(shí)施的情況，而采用單排懸臂樁又無(wú)法滿(mǎn)足工程對(duì)坑體穩(wěn)定、周邊建筑變形和沉降的要求，H型雙排樁支護(hù)不失為一種可供選擇的方案。本文利用巖土工程仿真軟件MIDAS/GTS對(duì)中青廣場(chǎng)深基坑緊臨高層建筑支護(hù)剖面采用的H型雙排樁支護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)針對(duì)計(jì)算結(jié)果分析了H型雙排樁的位移、受力和變形特征，為支護(hù)結(jié)構(gòu)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1  工程概況

1.1  地質(zhì)情況

 中青廣場(chǎng)深基坑項(xiàng)目位于長(zhǎng)沙市人民西路步行街旁，擬建3層地下室，設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖深度為15. 8m，基坑開(kāi)挖周長(zhǎng)約400m�；�坑周邊環(huán)境條件嚴(yán)峻，北側(cè)緊鄰23層住宅樓與人民西路下臥隧道�；�坑安全等級(jí)為一級(jí)。

 擬建場(chǎng)地內(nèi)埋藏地層有雜填土、第四系沖積粉質(zhì)黏土、中粗砂、圓礫，第四系殘積粉質(zhì)黏土，場(chǎng)地內(nèi)基巖為第三系泥質(zhì)粉砂巖。各層巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.2  水文條件

 上層滯水主要賦存于雜填土中，水量較小，受大氣降水和地表水補(bǔ)給，勘察期間測(cè)得鉆孔中上層滯水穩(wěn)定水位埋深為0. 50~8.50m(相當(dāng)于標(biāo)高33. 890~ 42. 580m)；潛水主要賦存于第四系沖積中粗砂、圓礫中，略具承壓性，地下水豐富，主要受大氣降水、地表水和上層地下水補(bǔ)給。

1.3基坑支護(hù)方案

 本項(xiàng)目采用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)合支護(hù)。其中，在高層建筑一側(cè)變形敏感區(qū)域采用H型雙排樁支護(hù)系統(tǒng)，該體系抗彎能力強(qiáng)、側(cè)向位移小，能有效保證基坑穩(wěn)定、控制高層建筑的變形；基坑其余剖面采用單排樁錨支護(hù)體系；止水帷幕采用高壓噴射注漿攪拌樁配合支護(hù)樁。H型雙排樁支護(hù)典型剖面如圖1所示。

2  有限元模型計(jì)算原理與方法

2.1  幾何模型建立

 模型尺寸長(zhǎng)202m、寬144m、高32m，北側(cè)為悅方ID MALL（29層），含2層地下室，地下室最低標(biāo)高-9.000m;左側(cè)為6層民房地基土；下部為高速公路；右側(cè)為-6.000m地下室，基坑與上部2層地下室相連，由地層參數(shù)結(jié)合荷載情況，選取一個(gè)平均地層進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。有限元模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2本構(gòu)模型選擇

本模型在計(jì)算時(shí)采用Hardening-soil模型。該模型最大特點(diǎn)是考慮了非線(xiàn)性模量變化特性的彈塑性模型，卸載模量較加載模量大很多，卸載后有不可恢復(fù)的塑性變形。

2.4施工過(guò)程模擬

 有限元可以模擬整個(gè)施工過(guò)程，包括土層逐步開(kāi)挖、施加錨桿、施加預(yù)應(yīng)力等。這個(gè)過(guò)程與實(shí)際基坑開(kāi)挖過(guò)程一致，能更真實(shí)地反映基坑變形和桿件受力情況。有限元模擬開(kāi)挖過(guò)程由以下幾步組成：KO固結(jié)→修建周邊建筑并且賦予自重位移清零→激活長(zhǎng)樁單元并且位移清零→第1步開(kāi)挖，設(shè)置第1層錨桿→第2步開(kāi)挖，設(shè)置第2層錨桿→第3步開(kāi)挖，……，激活雙排樁→開(kāi)挖到坑底→查看計(jì)算結(jié)果。

3  有限元計(jì)算結(jié)果與分析

3. 1  H型雙排樁前、后排樁位移對(duì)比分析

 H型雙排樁水平位移曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可知，H型雙排樁支護(hù)體系后排樁樁頂處位移最大，最大位移在最后一步基坑開(kāi)挖中達(dá)到14mm。后排樁的位移曲線(xiàn)呈現(xiàn)2處拐點(diǎn)，分別在樁埋深1/3和2/3處，前者出現(xiàn)的位置與前、后排樁通過(guò)冠梁相連位置相符；后者通過(guò)地質(zhì)勘察報(bào)告分析是相鄰地層土體強(qiáng)度的變化，尤其是上層土相比于下層土抵抗樁體變形的能力較弱引起的，說(shuō)明H型雙排樁前、后樁相連冠梁對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到極大作用，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)冠梁中的鋼筋所受最大拉力達(dá)到約82.5kN。H型雙排樁前樁整體位移與后樁相似，在土體強(qiáng)度變化較大區(qū)域呈現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)樁體埋深較淺，由于冠梁受力作用前排樁位移比后排樁小，隨著埋深逐漸增大，位移漸漸增大并在腰梁處出現(xiàn)拐點(diǎn)，整體趨勢(shì)與后排樁一致很好地說(shuō)明了兩者在冠梁的作用下協(xié)調(diào)一致，共同作用，與單樁經(jīng)驗(yàn)相比，由于顯著增加了樁體剛度，水平位移的控制程度要優(yōu)于單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.2  H型雙排樁前、后排樁剪力曲線(xiàn)對(duì)比分析（見(jiàn)圖4）

 由圖4可知，H型雙排樁后排樁剪力分布出現(xiàn)了一處明顯的突變，由- 320.76kN突變至83.6kN，分析原因主要是由于H型雙排樁前、后排樁及冠梁的共同作用，前排樁通過(guò)冠梁給后排樁提供推力，改變了逐漸增大的剪力使后排樁所受剪力發(fā)生突變，這是H型雙排樁剪力分布不同于傳統(tǒng)單排樁的最大區(qū)別。其后在腰梁處也呈現(xiàn)拐點(diǎn)；前排樁剪力分布與后排樁分布下端基本相同，與傳統(tǒng)單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)剪力分布大致相同，在腰梁處及土體強(qiáng)度變化明顯處呈現(xiàn)拐點(diǎn)，其值大小分別為52，-5kN。

3.3 H型雙排樁前、后排樁彎矩曲線(xiàn)對(duì)比分析（見(jiàn)圖5）

 由圖5可知，與剪力分布類(lèi)似，在距離后排樁頂6m處，即與前排樁和冠梁相連處最大彎矩- 620kN .m，在埋深較淺處隨著土壓力的增大彎矩也逐漸變大，呈現(xiàn)傳統(tǒng)懸臂樁受力特征，在與前排樁相連處，考慮到冠梁連接傳力機(jī)制此處彎矩出現(xiàn)突變情況，其后呈半拋物線(xiàn)形變化，在腰梁處出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)處彎矩為45kN . m;前排樁彎矩變化與傳統(tǒng)單排樁類(lèi)似，大約在4. 5m和2.5m處出現(xiàn)2處拐點(diǎn)。綜合分析是土質(zhì)的強(qiáng)度變化及冠梁的約束作用改變了前、后排樁的受力特征，尤其是前、后排樁通過(guò)冠梁相連處使H型雙排樁相比于傳統(tǒng)單樁支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剪力與彎矩的突變，并在冠梁下保持了與傳統(tǒng)單樁受力特征相似的特點(diǎn)。

3.4 H型雙排樁與單排樁穩(wěn)定性分析

 由于雙排樁尤其是H型雙排樁施工復(fù)雜，造價(jià)高，因此考慮到傳統(tǒng)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)是否可行，進(jìn)行了基于單樁支護(hù)方案的數(shù)值模擬。在最后一步工況計(jì)算時(shí)，水平位移過(guò)大導(dǎo)致計(jì)算失敗，考慮到位移遠(yuǎn)大于預(yù)警值及規(guī)范要求，可以肯定單樁支護(hù)不適于本項(xiàng)目敏感區(qū)域支護(hù)。從而更說(shuō)明在水平位移控制及穩(wěn)定性方面H型雙排樁比傳統(tǒng)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)更好。

4結(jié)語(yǔ)

 通過(guò)運(yùn)用有限元模擬軟件MIDAS/GTS對(duì)長(zhǎng)沙中青廣場(chǎng)敏感區(qū)域H型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析了H型雙排樁水平位移、前后排樁樁身彎矩、剪力并對(duì)比了單排樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，得出了以下結(jié)論。

 1)基于有限元分析軟件MIDAS/GTS對(duì)H型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的全過(guò)程數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際施工情況及位移規(guī)律相似，有效證明數(shù)值模擬是研究支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效手段。

 2)H型雙排樁支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)周?chē)�環(huán)境影響小，側(cè)向剛度大，有效地保證緊鄰高層建筑的變形。

 3)H型雙排樁后排樁彎矩及剪力均在前后樁冠梁連接處出現(xiàn)受力情況的突變，之后恢復(fù)至單排樁受力特征，在鋼腰梁處出現(xiàn)拐點(diǎn)。

 4)綜合來(lái)看，H型雙排樁支護(hù)體系既有單排樁錨結(jié)構(gòu)和門(mén)架式雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，又有自己的特性，通過(guò)與單排樁的對(duì)比分析可知其在限制側(cè)向位移方向相比單排支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)十分明顯，對(duì)基坑支護(hù)臨近高層建筑這類(lèi)對(duì)位移及沉降要求較高的工程具有一定的使用價(jià)值。