蓋挖逆作地下工程變形及AM樁應(yīng)用效果分析

鮑 艷， 張 恒， 陶連金， 邊 金

(1．北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100124； 2．北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京100124)

蓋挖逆作地下工程變形及AM樁應(yīng)用效果分析

鮑 艷， 張 恒， 陶連金， 邊 金

(1．北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100124； 2．北京城市交通協(xié)同創(chuàng)新中心， 北京100124)

大規(guī)模開(kāi)挖基坑時(shí)，地連墻水平位移及構(gòu)件間差異沉降過(guò)大，導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。依托某AM樁大型蓋挖逆作法地下工程，通過(guò)有限元軟件MIDAS-GTS模擬地下連續(xù)墻水平位移及構(gòu)件間的差異沉降，研究施工過(guò)程的沉降變化規(guī)律以及AM樁的應(yīng)用效果。結(jié)果表明：樓板對(duì)地下連續(xù)墻的水平位移、彎矩及結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的差異沉降有良好的限制作用。差異沉降及頂板彎矩均在地下三層開(kāi)挖后達(dá)到最大值，則該階段為施工過(guò)程最不利階段，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行地下三層底板的澆筑以減小施工風(fēng)險(xiǎn)。相同模型，采用AM樁與等直徑樁相比，差異沉降及彎矩均出現(xiàn)一定程度減小，證明AM樁承載力更好，可有效提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該研究可為類(lèi)似工程提供參考。

基坑； 蓋挖逆作法； 水平位移； 差異沉降； AM樁

0 引 言

積極開(kāi)發(fā)地下空間是解決城市擁堵的一個(gè)重要方式。蓋挖逆作法[1-5]能夠盡快恢復(fù)路面交通，對(duì)周?chē)ㄖ锍两?、地表沉降都有很好的控制；施工過(guò)程用樓板提供對(duì)基坑的支撐，代替臨時(shí)支撐，提供橫向剛度，減小施工風(fēng)險(xiǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。基于以上優(yōu)點(diǎn)，蓋挖逆作法在城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用中得到廣泛應(yīng)用。但蓋挖逆作法施工難度大，工序繁多，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)有多次內(nèi)力重分布，對(duì)結(jié)構(gòu)之間的差異沉降等方面有較高要求。已有學(xué)者對(duì)相關(guān)問(wèn)題作了大量研究。文獻(xiàn)[6-7]通過(guò)有限元模擬方法分析了實(shí)際工程結(jié)構(gòu)受力及變形規(guī)律,并對(duì)結(jié)構(gòu)差異沉降作了有關(guān)探討。文獻(xiàn)[8]通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討維護(hù)結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)柱隆沉、差異沉降規(guī)律，得出蓋挖逆作工程應(yīng)以差異沉降作為控制標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，擴(kuò)底樁在地下工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但目前擴(kuò)底樁相關(guān)理論仍不成熟。其中，文獻(xiàn)[9]采用數(shù)值分析方法探討樁長(zhǎng)對(duì)擴(kuò)底樁端阻力的影響。文獻(xiàn)[10]通過(guò)有限元方法，得出擴(kuò)底樁承載力與擴(kuò)底直徑、擴(kuò)底高度、樁長(zhǎng)的關(guān)系。文獻(xiàn)[11]通過(guò)分析試樁資料，按不同擴(kuò)底直徑給出端阻力、側(cè)阻力的經(jīng)驗(yàn)值表。但地下工程規(guī)模日益增大，新型樁基形式的使用等因素給蓋挖逆作工程帶來(lái)更多不確定性，在理論計(jì)算與施工過(guò)程產(chǎn)生許多新問(wèn)題亟待解決。因此，筆者以某采用AM樁大型蓋挖逆作地下工程為背景，對(duì)其施工情況和AM樁應(yīng)用效果進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期形成相關(guān)理論，用于指導(dǎo)今后類(lèi)似工程設(shè)計(jì)與施工。

1 工程概況

1.1 工程背景

文中依托工程由樞紐工程、地鐵1號(hào)線和輕軌3號(hào)線換乘站及新建站前人防工程三部分組成，其中樞紐工程地下三層，地上設(shè)兩座鋼結(jié)構(gòu)穹頂，地下三層南側(cè)部分為地鐵3號(hào)線車(chē)站站臺(tái)層，西側(cè)為地鐵1號(hào)線車(chē)站站廳層及部分設(shè)備用房，地下四層為地鐵1號(hào)線站臺(tái)層。

該工程結(jié)構(gòu)主體采用蓋挖逆作法進(jìn)行施工，樁基采用AM樁；基坑開(kāi)挖面積大，東西向293.00 m，南北向最大處達(dá)到87.00 m；基坑開(kāi)挖深度深，上覆土厚度1.23 m，地下一至四層高度分別為6.95、5.75、8.00和7.55 m；工程周?chē)ㄖ锓倍?，距離基坑邊距離小，施工風(fēng)險(xiǎn)高。

1.2 施工歩序

工程結(jié)構(gòu)(文中選取結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段地下三層進(jìn)行分析)如圖1所示。

圖1 工程結(jié)構(gòu)

工程施工歩序：工序1為初始階段(包括地下連續(xù)墻施工、開(kāi)挖覆土、AM樁、中柱、頂板施工)；工序2為回填覆土；工序3為開(kāi)挖地下一層土；工序4為地下一層底板及側(cè)墻施工；工序5為開(kāi)挖地下二層土；工序6為地下二層底板及側(cè)墻施工；工序7為開(kāi)挖地下三層土；工序8為地下三層底板及側(cè)墻施工。

2 數(shù)值模型

結(jié)合設(shè)計(jì)文件，采用Midas-GTS有限元軟件精細(xì)模擬結(jié)構(gòu)施工歩序。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面尺寸約為54.3 m×20.7 m?？紤]開(kāi)挖產(chǎn)生的影響范圍和計(jì)算精度, 計(jì)算模型取215 m×82 m, 如圖2所示。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

文中選取典型斷面，簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算將樁柱施工階段數(shù)據(jù)歸零，各項(xiàng)數(shù)據(jù)從頂板施工開(kāi)始算起。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，將一定深度范圍內(nèi)土層性質(zhì)及物理力學(xué)參數(shù)相似的巖土體進(jìn)行合并，主要地層特征自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏土、粗砂和泥巖。土體單元類(lèi)型為平面應(yīng)變單元，采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算，土體參數(shù)見(jiàn)表1。混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性材料模擬，地下連續(xù)墻、板結(jié)構(gòu)、側(cè)墻、中樁柱均采用梁?jiǎn)卧M。根據(jù)該工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2(考慮鋼筋作用，將相應(yīng)混凝土彈性模量擴(kuò)大1.2倍進(jìn)行計(jì)算)。

表1 場(chǎng)區(qū)地層參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)果分析

3.1 地連墻水平位移

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，地下連續(xù)墻受到側(cè)向土壓力作用產(chǎn)生向基坑內(nèi)部位移及相應(yīng)彎矩。位移及彎矩過(guò)大標(biāo)志著連續(xù)墻有屈服失穩(wěn)的可能，地下連續(xù)墻作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一旦屈服失穩(wěn)將對(duì)基坑帶來(lái)破壞性的影響。因此，基坑開(kāi)挖過(guò)程，需要嚴(yán)格控制地下連續(xù)墻水平位移及彎矩。

現(xiàn)取基坑左側(cè)地下連續(xù)墻進(jìn)行分析。各工序下左側(cè)地下連續(xù)墻水平位移s和彎矩M沿深度h變化曲線分別如圖3和4所示。

由圖3、4可見(jiàn),施工過(guò)程中，地下連續(xù)墻最大水平位移及最大彎矩位置下降，即地下一層土開(kāi)挖過(guò)程，地連墻最大水平位移及最大彎矩出現(xiàn)在地下一層中部，地下二層土體開(kāi)挖過(guò)程，地連墻最大水平位移及最大彎矩出現(xiàn)下移，出現(xiàn)在地下二層中部，地下三層土體開(kāi)挖過(guò)程，地連墻最大水平位移及最大彎矩出現(xiàn)在地下三層中部，并且最大水平位移量及最大彎矩逐漸增加，因?yàn)殚_(kāi)挖層上層底板的約束作用，上層底板附近地下連續(xù)墻水平位移變化不大，彎矩出現(xiàn)明顯減??；在地下三層土體開(kāi)挖過(guò)程中，地連墻水平位移及彎矩增大明顯。地下三層底板施工后，地下連續(xù)墻水平位移及彎矩出現(xiàn)略微增大，并分別達(dá)到最大值18.57 mm和884 kN·m。分析以為，地下三層層高高，達(dá)到8 m，開(kāi)挖過(guò)程中，地下三層承受側(cè)向土壓力增大明顯，地下三層部分地連墻無(wú)法獲得底板支撐時(shí)間長(zhǎng)，地連墻水平位移及彎矩增大明顯。地下三層底板施工后，結(jié)構(gòu)形成整體，在重力作用下，坑底土體隆起出現(xiàn)減小，結(jié)構(gòu)整體微小下移，帶動(dòng)地連墻位移出現(xiàn)略微增大。

圖3 地下連續(xù)墻水平位移

圖4 地下連續(xù)墻彎矩

3.2 差異沉降

地下連續(xù)墻為縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，中樁柱縱向不連續(xù)，受力形式不同，經(jīng)過(guò)各個(gè)施工階段，包括土的開(kāi)挖，構(gòu)件澆筑及隆起現(xiàn)象的反復(fù)循環(huán)，地下連續(xù)墻與中樁柱之間產(chǎn)生差異沉降。差異沉降會(huì)引起地下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，引起附加應(yīng)力，差異沉降過(guò)大會(huì)引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，危及結(jié)構(gòu)安全，因此，需要分析施工過(guò)程中中樁柱之間以及中樁柱與地下連續(xù)墻之間的差異沉降。

各工序下地下連續(xù)墻與相鄰中樁柱差異沉降曲線如圖5所示(均為地下連續(xù)墻沉降值減去相鄰中樁柱沉降值)。

由圖5可知，地下連續(xù)墻沉降大于相鄰柱子的沉降。隨著施工過(guò)程的進(jìn)行，差異沉降Δs整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。相應(yīng)底板施工后，差異沉降出現(xiàn)一定程度減小。分析原因?yàn)榈装迨┕ね戤吅?，地下連續(xù)墻、底板、中樁柱形成封閉整體，并且土體出現(xiàn)隆起，底板承受下部土傳來(lái)的荷載，結(jié)構(gòu)趨向穩(wěn)定，差異沉降出現(xiàn)減小趨勢(shì)；在地下三層土體開(kāi)挖后，左側(cè)、右側(cè)地連墻與相鄰中柱差異沉降達(dá)到最大值，分別為15.8和17.9 mm，均小于20 mm，符合規(guī)范要求。

圖5 差異沉降曲線

各工序下，頂板左端彎矩M2變化如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，頂板左端彎矩M2整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；每層土體開(kāi)挖過(guò)程中，頂板彎矩值增大，該層底板施工完成后，頂板彎矩出現(xiàn)減小，分析原因?yàn)樵谙鄳?yīng)層底板施工后，下層土體未開(kāi)挖前，結(jié)構(gòu)形成統(tǒng)一整體，受力能力提高，頂板彎矩變小。地下三層土體開(kāi)挖完成后，頂板左端彎矩達(dá)到最大值，為437 kN·m。

圖6 頂板彎矩變化曲線

由此可知，地下三層施工階段，地連墻與相鄰中柱之間差異沉降達(dá)到最大值，且此時(shí)頂板彎矩為最大值，因此，地下三層施工階段為最不利施工階段，應(yīng)盡快施工地下三層底板，保證結(jié)構(gòu)安全。

3.3 AM樁應(yīng)用效果

各工序下，相同模型分別采用AM樁與等直徑樁兩種不同工況下，地下連續(xù)墻與相鄰中樁柱差異沉降曲線如圖7所示。

圖7 差異沉降曲線

文中對(duì)地下連續(xù)墻與頂板連接處單元進(jìn)行內(nèi)力監(jiān)測(cè)，繪制出分別采用AM樁與等直徑樁兩種不同工況下，頂板端彎矩隨各工序變化情況曲線如圖8所示。

圖8 頂板彎矩曲線

由圖7和8可知，相同工程，分別采用AM樁與等直徑樁，差異沉降及頂板彎矩變化規(guī)律類(lèi)似，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，差異沉降值及彎矩均呈現(xiàn)總體增大趨勢(shì)，相應(yīng)開(kāi)挖層底板施工后，差異沉降及彎矩出現(xiàn)減小；相同工程，與采用等直徑樁相比，AM樁的使用使差異沉降及頂板彎矩均出現(xiàn)一定程度減小，證明AM樁承載力更好，可有效提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

(1)樓板在施工過(guò)程中對(duì)地下連續(xù)墻起到了良好的支撐作用，體現(xiàn)了蓋挖逆作法地下工程采用樓板代替臨時(shí)支撐的巨大優(yōu)越性。

(2)差異沉降隨施工過(guò)程進(jìn)行整體呈增大趨勢(shì)，相應(yīng)底板施工后，差異沉降出現(xiàn)一定程度減小，其最大值小于20 mm，符合規(guī)范要求。施工階段最不利階段為地下三層土開(kāi)挖完畢后，地連墻與相鄰中柱之間差異沉降達(dá)到最大，同時(shí)，頂板端彎矩達(dá)到最大，為結(jié)構(gòu)受力最不利狀態(tài)，應(yīng)盡快施工三層底板，減少坑底暴露時(shí)間，保證結(jié)構(gòu)安全。

(3)蓋挖逆作地下工程采用AM樁進(jìn)行施工，與相同工程采用等直徑樁相比，頂板彎矩及地下連續(xù)墻與相鄰中樁柱之間的差異沉降均出現(xiàn)一定程度減小，證明AM樁可以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

[1] 高玉春.基于AM樁蓋挖逆作法深基坑地下結(jié)構(gòu)受力及變形分析[D]. 北京： 北京工業(yè)大學(xué), 2010.

[2] 李得喜.大型深基坑逆作開(kāi)挖變形性狀研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)， 2013

[3] 馬艷超.逆作法立柱與地下連續(xù)墻差異沉降數(shù)值模擬[D]. 昆明： 昆明理工大學(xué)，2014.

[4] 陳天雄.逆作法各結(jié)構(gòu)體系相互作用機(jī)理研究分析[D]. 西安： 西安建筑科技大學(xué), 2014.

[5] 周 文. 逆作法中基坑變形的數(shù)值模擬及鋼立柱性能的分析[D]. 南寧： 廣西大學(xué), 2015.

[6] 蘇 潔, 張頂立.蓋挖逆作法施工地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)變形及其控制[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2010, 31(1)： 59-65.

[7] 劉國(guó)輝, 肖 峰, 李英杰.地鐵車(chē)站蓋挖逆作法施工結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形數(shù)值模擬[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2014, 12(6): 193-198.

[8] 鄭 剛, 劉慶晨. 天津站地下?lián)Q乘中心基坑工程2標(biāo)段蓋挖逆作法的實(shí)測(cè)分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 45(10): 930-937.

[9] 張 蕾， 高廣運(yùn). 擴(kuò)底樁深度效應(yīng)及臨界樁長(zhǎng)分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2013， 9(1)： 48-54.

[10] 張 琦， 李坤軒. 大直徑擴(kuò)底樁豎向承載力影響因素分析[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)： 工學(xué)版， 2012， 33(5)： 22-29.

[11] 高 盟， 王 瀅. 一種大直徑擴(kuò)底樁端阻力和側(cè)阻力的確定方法[J]. 巖土力學(xué)， 2013, 33(5)： 22-29.

(編校 王 冬)

Analysis on deformation and application effect of AM pile of underground project constructed by top-down method

BaoYan,ZhangHeng,TaoLianjin,BianJin

(1.Key Laboratory of Urban Security & Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2.Center of Cooperative Innovation for Beijing Metropolitan Transportation, Beijing 100124, China)

This paper is an effort to address the foundation pit instability due to a great horizontal displacement of the diaphragm wall and the differential settlement between the members, as can be seen in large scale excavation of foundation pit. The research building on AM pile large underground engineering project using the top-down method and employing the finite element software MIDAS-GTS is focused on the law behind the change in horizontal displacement of diaphragm wall, differential settlement between members as the construction process goes on, as well as the application effect of AM pile. The results demonstrate that the floor has a better limiting effect on the horizontal displacement and the bending moment of the diaphragm wall and the differential settlement between the structural members; the maximum value occurring in differential settlement and roof bending moment following the excavation of the third layer suggests the most unfavorable stage of the construction process, resulting in the necessity that third floor should be poured in time to reduce the construction risk; and an AM pile gives the model a smaller differential settlement and bending moment than does equal diameter pile, a proof that the AM pile features a better bearing capacity and promises an improved structure stability. The research may provide a reference for similar projects.

pit; top-down method; horizontal displacement; differential settlement; AM pile

2017-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208016)； 國(guó)際交流合作項(xiàng)目(51528801)

鮑 艷(1976-)，女，山東省煙臺(tái)人，副教授，博士，研究方向:地下工程抗震、地下空間規(guī)劃，E-mail:152859757@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.01.014

TU753; U231.4

2095-7262(2017)01-0064-05

A