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桩锚支护结构在临近地下室深基坑中的应用分析

时间:2016-07-28来源: 作者: 点击: 108次


摘  要:以南沙某临近建筑地下室深基坑工程为背景,结合其地质条件及其支护结构设计及基坑施工特点,采用有限元方法,模拟并分析了深基坑施工过程及其对桩锚支护结构与临近地下室结构变形的影响,结合实测数据论证了桩锚支护结构的可行性,并对被动区土体不同加固尺寸的加固效果进行相关探讨。分析结果表明:桩锚支护结构起到较好的支护效果,深基坑施工对临近地下室结构影响较小;支护桩最大侧移与被动区土体加固宽度近似成幂函数关系;相对而言,改变被动区加固宽度比改变加固深度对加固效果的影响更为显著。

关键词:桩锚支护;深基坑;地下室;有限元方法;被动区加固

中图分类号:TU47       文献标识码:A       文章编号:1000–4548(2010)05–0657–07

The Analysis on Application of Pile-Anchor Supporting Structure to

Deep Excavation Pit due to Adjacent Basement

ZOU Jianan

(1. Guangzhou Nantou Real Estate Development co., LTDGuangzhou Guangdong 511458China)

Abstract:Basing on the practice of deep excavation adjacent to basement in Nansha,combining with the engineering geological conditions and the design features of supporting structure and the construction of the pit,the finite element method is employed to establish numerical model to simulate and analyze the influence of the construction of the deep excavation pit to the deformation of pile-anchor supporting structure and nearby basement. Combining with the measured data, the feasibility of the pile-anchor supporting structure is demonstrated, and the reinforcing effect of different sizes of strengthening soil in passive area is discussed in this paper. The results show that the pile-anchor supporting structure play a good supporting effect and the construction influence on the nearby basement is little; the lateral deformation of pile is approximatively a power function of the reinforcement width of the strengthening soil in passive area; in relative terms, changing the width of passive zone is more significant on the reinforcement effect than changing the depth of passive zone.

Key words: pile-anchor structure;deep excavation pit;basement;finite element method;strengthening soil


1  引    言

随着地下空间的发展,新建地下结构施工对已建地下结构的影响日益突出。如今,紧邻地下室结构的深基坑施工依然面临着如何确保基坑施工及其紧邻地下室结构的安全的各种难题,对此也已有不少相关方面的研究[1-2]

为解决基坑工程对周围环境的影响与保护难题,基坑工程设计从强度控制过渡到变形控制,而采用何种基坑支护形式是变形控制的决定性因素。桩锚支护结构是钢筋混凝土灌注桩、压顶梁及锚索形成的空间支护结构体系,能够较为有效地限制基坑侧向变形。目前,桩锚支护结构已在各地深基坑工程中广泛采用,其在工程应用方面的研究也已有不少成果[3-5],但在复杂条件下深基坑中的应用较为少见。广州南沙某深基坑工程地质条件差,侧方紧邻建筑地下室结构,为减少基坑施工对地下室结构的影响,结合工程特点,在紧邻地下室结构侧采用桩锚支护结构。本文结合工程实例,对桩锚支护结构在临近地下室结构深基坑中的应用进行了若干分析和探讨。

2  工程概况

项目场地较为平整,用地面积5336m2,设一层地下室,地上为115层的高层建筑,采用桩基础。该项目基坑周长约为275m,呈长方形,基坑开挖深度为5.0~6.0m。基坑北侧临近建筑结构(一层地下室,桩基础),如图1~2所示。

项目深基坑临近地下室结构区段采用桩锚支护形式+被动区加固,其中(CD区段)支护桩采用Φ800@1000钻(冲)孔灌注桩,止水帷幕采用2Φ550@350水泥土搅拌桩,深度约12m,桩顶冠梁尺寸为800×800,冠梁顶施打一道3s15.2-7Φ5预应力锚索;支护桩要求进入粗砂或砂质粘性土层不少于5.0m,锚索要求进入粗砂或砂质粘性土层不少于5.0m,若局部锚索与建筑物基础冲突后,相邻锚索应避开建筑物基础并入岩层不少于2.0m。图2CD区段基坑支护剖面图。

图2 CD区段基坑支护剖面图

3  工程地质条件

拟建场地宽阔,原为耕地、鱼塘,经人工推填,地形较平坦,场地西侧临近现状山坡坡脚。场地岩土层呈多样性,地层种类多,均匀性变化大,大致为上软下硬特性,整体存在深厚淤泥层和砂层;由于处于山坡坡脚,整体岩面变化大,局部存在孤石。图3为基坑北侧立面展开图,表1为地层物理力学参数。

    综合分析可知:深基坑主要处于填土和粉质粘土及深厚淤泥层,地下室结构侧方地层主要为填土和粉质粘土,地下室结构下方地层主要为深厚淤泥层和砂层,地下室结构桩基础进入强风化层作持力层。整体相对而言,场地土层总体对控制深基坑施工诱发的变形较为不利,场地工程地质条件较差,采用有效的基坑支护结构成为必然。

图3 基坑北侧立面展开图

表1 土层物理力学参数

层号

材料名称

湿密度

ρ(g/cm3)

粘聚力

c(kPa)

内摩擦角φ(0)

<1>

人工填土

1.8

12

15

<2-1>

粉质粘土

   1.9

11

7

<2-2>

粉质粘土

1.9

20

14

<3>

淤泥

1.65

6

5

<4-2>

中砂

1.8

0

23

<4-4>

粗砂

1.95

2

35

<6-C>

花岗片麻岩

2.05

45

27

<6-I>

花岗片麻岩

2.2

60

30

<6-M>

花岗片麻岩

2.3

250

35

<6-S>

花岗片麻岩

2.45

500

35

4  工程特点分析

综合分析各方资料,可知:1、项目场地紧邻的地下室结构整体性较好、结构刚度大,具有一定的埋深,且采用桩基础,有利于建筑整体结构的安全;2、基坑靠近地下室结构侧采用“支护桩+预应力锚索”的支护结构,整体共同作用,侧向刚度大,受力与变形较为合理,能有效地限制深基坑侧向变形,进而可较好的控制紧邻地下室结构的侧移,但深基坑近距离施工会对地下室结构带来一定的不利影响,另一方面,深基坑侧方大刚度地下室结构的存在也使得桩锚支护结构的变形和受力较为复杂;3、场地工程地质条件差,对控制基坑支护结构及地下室结构的变形相对不利。

结合工程特点,鉴于桩锚支护结构在临近大刚度地下室结构深基坑中的应用较为鲜见,选择深基坑采用桩锚支护的典型CD区段,进行深基坑动态施工的三维模拟分析,进而分析桩锚支护结构。

5  三维有限元数值模拟分析

5.1  三维有限元模型

根据北侧地下室结构与深基坑工程的平面和剖面相对关系,综合分析项目场地的工程地质条件,结合深基坑支护结构设计参数及深基坑施工工况,采用有限元分析软件建立三维模型,对深基坑进行三维动态施工模拟。模型物理力学参数见表1,图4为地下室结构与支护结构的三维模型。

图4 地下室结构与支护结构的三维模型

5.2  三维动态施工模拟及其结果分析

CD区段基坑的三维动态施工模拟的主要流程为:1、初始地应力场分析;2、修建北侧地下室结构;3、基坑开挖到冠梁底土体;4、间隔跳挖并浇筑基坑支护桩;5、浇筑冠梁并施工锚索6、基坑土体开挖至基底;7、施作项目地下室结构。

5为深基坑开挖至底时地下室结构及支护桩的水平位移等色图;图6为地下室结构总位移向量图。

以上模拟结果可知:深基坑施工导致紧邻地下室结构侧基坑发生水平方向卸载,导致深基坑内侧发生一定侧移,支护桩侧移呈现出典型的悬臂式挠曲变形,桩顶处侧移值达到最大,进而引发紧邻地下室结构发生相应侧移,侧移值随深度增加而减小,使得整体地下室结构朝基坑内侧发生一定程度的变形,整体以水平位移为主,并发生一定的竖向位移,如图5~6所示,支护桩最大水平位移约19mm,引发的地下室结构的侧移较小。这说明土体具有明显的位移传递作用,控制紧邻地下室结构变形的关键是控制支护结构的变形。

从变形控制的角度看,深基坑桩锚支护结构起到较好的支护效果,深基坑施工对地下室结构影响较小,基坑支护结构及地下室结构均处于安全可控状态。

图5 地下室结构及支护桩的水平位移等色图

图6 地下室结构总位移向量图

5.3  监测结果分析

本项目深基坑已经开挖至底,实景照片如图7所示,各监测点数据无异常,支护结构变形相对稳定,图8CD区段桩顶水平位移随时间变化曲线。

IMG_20150929_103113

7 基坑开挖到底后实景照片

基坑开挖时间段

                   

8 CD区段桩顶水平位移随时间变化曲线

监测成果表明:支护桩顶水平位移随着基坑开挖深度的增加(开挖时间推移)而增大,土方的分层、分时开挖对桩顶位移影响明显(曲线变化大),基坑开挖至底时,支护桩顶水平位移达到最大,并开始趋于稳定;其中,支护桩顶最大水平位移约18mm,这与上述数值模拟计算的19mm较为吻合。

根据实测数据显示,本项目基坑支护结构变形得到有效控制,从而减小了基坑施工对地下室结构的影响,使桩锚支护结构在紧邻地下室结构深基坑中得到成功应用。

5.4  被动区加固效果分析

对于基坑坑底地质条件较差的基坑支护往往会设置被动区加固,而被动区加固体的设置对基坑支护的经济性有着重要影响。下面就结合本项目特点,对被动区加固土体的设置作相关分析。

9为不同加固宽度下桩顶侧移变化曲线;图10为不同加固深度下桩顶侧移变化曲线。其中,为方便分析研究,变化加固体宽度或深度时,另一因素按设计取值不变。

9 不同加固宽度下桩顶侧移变化曲线

10 不同加固深度下桩顶侧移变化曲线

9可知,支护桩桩顶侧移随被动区土体加固宽度增大而减小,增大坑内被动区加固宽度可以有效地限制基坑支护桩侧向变形,但限制作用减小。拟合关系表明:支护桩侧移量与被动区土体加固宽度近似成幂函数关系,加固土体较窄时,加宽被动区加固宽度对限制侧向变形的作用明显,但加固土体较宽时,加宽加固体对限制侧向变形的作用变小,直至趋于极限,即加固效率降低。由此说明:在进行基坑土体加固时,应根据具体情况确定加固宽度,以达到经济高效。

10可知,桩顶侧移随被动区土体加固深度增大而几乎不变,说明加深加固体对限制基坑变形的作用较小;对比以上两曲线图可知,在一定条件下,改变被动区加固宽度比改变加固深度对加固效果的影响更为显著。

6  结    论

结合某临近地下室深基坑工程实例,采用有限元分析方法,对“桩锚支护形式+被动区加固”支护结构在紧邻地下室结构深基坑中的应用进行分析和探讨,认为:

1)深基坑施工导致基坑支护结构及侧方地下室结构发生一定侧移,控制临近地下室结构变形的关键是控制基坑支护结构的变形。

2)桩锚支护结构支护效果较好,深基坑施工对地下室结构的影响较小,深基坑支护结构及侧方地下室结构均处于安全可控状态。

3)基坑支护桩桩顶侧移量与坑底被动区土体加固宽度近似成幂函数关系,土体加固应注意加固效率;相对而言,改变被动区加固宽度比改变加固深度对加固效果的影响更为显著。

参考文献:

[1]       高广运,高盟,杨成斌,. 基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J].岩土工程学报, 2010, 323: 453-458.

[2]       邹家南,杨小平,刘庭金. 邻近地铁盾构隧道的深基坑支护分析[J].铁道建筑, 2013, 9: 63–67.

[3]       吴文,徐松林,周劲松,.深基坑桩锚支护结构受力和变形特性研究[J].岩石力学与工程学报, 2001, 20 (3): 399-402.

[4]       李宝平,张玉,李军.桩锚式支护结构的变形特性研究[[J].地下空间与工程学报, 2007, 3 (7): 1291-1294.

[5]       王明龙,王景梅.深基坑桩锚支护中桩内力变化规律数值模拟研究[J].地下空间与工程学报, 2013, 9 (3) : 576-84.

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