塔吊布置對(duì)于深基坑安全影響分析

尚琳 柳曉科 鹿群 都曉寧

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 天津300381； 2.天津城建大學(xué) 300384 )

引言

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)須滿足自身施工安全和周邊環(huán)境安全, 因此, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、 變形及基坑周邊地面、 建(構(gòu))筑物的沉降等均必須同時(shí)滿足相關(guān)要求。 龔曉南等[1]經(jīng)過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)作用在地面的超載會(huì)影響到地下管道的內(nèi)力和變形。 戴宏偉[2]等基于文克爾地基梁模型, 利用有限差分法建立了新施工荷載下地鐵隧道的縱向變形計(jì)算理論, 研究了新施工荷載對(duì)臨近地鐵隧道的影響, 結(jié)合實(shí)例進(jìn)行分析預(yù)測(cè), 得出安全施工的控制距離。 蔡忠祥等[3]同樣基于文克爾地基梁模型, 采用矩陣傳遞法, 提出地面荷載作用下地埋管線受力變形的簡化理論分析方法。 以上研究都是基于理論和假設(shè)研究地面附加荷載對(duì)地下管線、 隧道的內(nèi)力變形影響, 得到的結(jié)論對(duì)實(shí)際工程起到了指導(dǎo)性作用。

岳地東等[4]通過分析南京地鐵3 號(hào)線新莊站的工程地質(zhì)條件, 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境條件, 采用灌注樁+深層攪拌樁的結(jié)合形式。 彭社琴等[5]對(duì)不同土壓力分布模式下支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行分析得出直線遞增(三角形)荷載作用下, 整個(gè)墻身上部彎矩較小, 下部則較大； 波狀遞增土壓力形式作用下, 整個(gè)墻體撓曲多變, 并且在中上部就有較突出的彎矩作用； 附加荷載土壓力模式作用下,墻身上部彎矩異常突出。 上述研究結(jié)合實(shí)際工程, 分別對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式及計(jì)算模式進(jìn)行分析, 其結(jié)果對(duì)基坑設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

本文以實(shí)際工程問題為背景, 通過理正深基坑及PLAXIS3D 有限元數(shù)值模擬研究基坑邊近距離布置塔吊后基坑及塔吊運(yùn)行的安全性。 按照施工順序, 先建立了基坑及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模型, 而后施加地面塔吊荷載進(jìn)行土體開挖, 以此模擬塔吊基座的作用對(duì)基坑開挖的影響。

1 工程概況

某污水處理廠位于河流沖洪積扇頂部, 臭氧接觸池為地埋式鋼筋混凝土現(xiàn)澆矩形水池, 平面尺寸19.5 ×11.5m2, 凈高6.0m, 埋深6.5m, 有效水深 4.0m, 接觸時(shí)間 30min, 設(shè)計(jì)流量1240m3/h。 接觸池南側(cè)8m 處為擬建綜合樓, 為加快工程施工進(jìn)度, 同期施工, 提高施工效率,擬在接觸池與擬建綜合樓中間安裝裝配式塔吊。

2 工程地質(zhì)條件

廠區(qū)場(chǎng)地地基土自上而下依次為填土、 砂土、 軟粘土、 砂土, 其地面以下的深度分別為:1m、 9.5m、11m、 20m, 地下潛水埋深4m, 地質(zhì)剖面如圖1 所示。

土體本構(gòu)模型采用土體硬化模型, 即HS 模型, 具體物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示, 其中γunsat表示土體的非飽和重度,γsat表示土體的飽和重度,分別為土的主偏量加載剛度模量、側(cè)限壓縮剛度模量和卸載/再加載剛度模量[6],m為樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù),c和φ分別為土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角,ψ為剪脹角,ν為泊松比。

圖1 地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及三維有限元模型參數(shù)

3.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

基坑平面尺寸20m×12m, 由于坑底位于地下水位以下2.5m, 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)需要做止水處理, 處理方式為采用直徑500mm 間距300mm水泥土攪拌樁止水帷幕與支護(hù)樁等深布置, 攪拌樁地面以下4m 空攪(水泥摻量為0), 其他參數(shù)如表2 所示。 基坑南北側(cè)采用“排樁+止水帷幕+內(nèi)支撐”, 東西側(cè)采用“排樁+止水帷幕+錨索”的聯(lián)合支護(hù)形式, 基坑平面布置如圖2 所示(圖上括號(hào)內(nèi)數(shù)字為坐標(biāo), 單位: m)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑600mm 中心間距800mm 灌注樁, 樁長12m, 樁頂標(biāo)高與地面平齊, 嵌固深度5.5m。 基坑長邊水平支撐采用直徑609mm 壁厚12mm 鋼管, 短邊采用“預(yù)應(yīng)力鋼絞線+ 注漿”錨索與水平方向成45°入射角布置, 錨索長28m(其中錨固段18m, 不考慮自由段承載力), 錨固段結(jié)合體直徑0.28m, 錨索錨固段埋深1m, 基坑支護(hù)縱向剖面如圖3 所示。

表2 基坑設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Parameters of foundation ditch design

圖2 基坑結(jié)構(gòu)及施工平面布置Fig.2 Arrangement diagram of foundation pit structure and construction plan

圖3 基坑模型縱向剖面Fig.3 Longitudinal profile of foundation model ditch

腰梁采用HM350 ×250 雙拼H 型鋼通長布置在地面以下1m 處, 其主要作用是分散水平支撐及錨索張拉端產(chǎn)生的集中荷載, 橫向剖面如圖4所示。

圖4 基坑模型橫向剖面Fig.4 Transverse sectional view of foundation model ditch

3.2 塔吊荷載的選取

為方便施工, 布置靈活, 拆卸方便, 盡量減小對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響, 本工程選用裝配式塔吊, 形式如圖5 所示。

裝配式塔吊基座尺寸為3.5m ×3.5m, 為分散壓力, 減小集中荷載作用, 基座底部采用7m×7m 壓力分散板。 基座主要承受自重荷載、 考慮動(dòng)力系數(shù)的起重荷載, 由于滿載/空載頻率很小, 因此在模擬加載時(shí)可簡化為靜力加載。 計(jì)算發(fā)現(xiàn)空載時(shí)基底壓應(yīng)力組合值不大于10kPa, 滿載時(shí)基底荷載壓應(yīng)力組合值不大于16.5kPa, 考慮動(dòng)力系數(shù)1.2 后不大于20kPa。

圖5 裝配式塔吊基座Fig.5 The foundation of assembly tower crane

3.3 PLAXIS 3D 有限元模型參數(shù)

由于裝配式塔吊基座通過壓力分散板直接坐落在地面上, 因此在采用PLAXIS 3D 軟件模擬塔吊基座對(duì)基坑的作用時(shí), 采取在基坑邊土體表面施加面荷載的方法模擬, 在模型X方向距離基坑邊緣1m 處施加7m ×7m 大小為20kN/m2的豎向面荷載, 用來模擬塔吊基座荷載。

在PLAXIS 3D 軟件中, 錨索采用 “點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿”及“Embedded 樁”模擬, 其中“Embedded 樁”用來模擬錨索錨固段, 使用時(shí)直接“激活”即可。排樁采用換算成等剛度的0.4m 厚鋼筋混凝土“樁板墻”模擬。 腰梁及內(nèi)支撐采用等剛度“梁”單元模擬。

塔吊基座荷載采用可考慮土體“蠕變”的“固結(jié)”分析計(jì)算模式模擬, 該模式可計(jì)算當(dāng)土體所承受的荷載維持不變而其應(yīng)變隨著時(shí)間增加所產(chǎn)生的蠕變。

模擬基坑施工具體流程為: ①建立具有土體屬性的三維有限元模型； ②建立板樁墻、 內(nèi)支撐、 腰梁、 錨索、 塔吊面荷載等元素； ③劃分網(wǎng)格； ④激活板樁墻并運(yùn)行計(jì)算； ⑤激活塔吊荷載并運(yùn)行計(jì)算； ⑥開挖至 - 1.5m 并運(yùn)行計(jì)算；⑦激活腰梁、 內(nèi)支撐、 錨索并運(yùn)行計(jì)算； ⑧降水并開挖至-6.5m, 運(yùn)行計(jì)算； ⑨根據(jù)基坑內(nèi)力、變形情況復(fù)核設(shè)計(jì)的合理性； ⑩根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析塔吊運(yùn)行時(shí)塔吊及基坑的安全性, 得出相關(guān)結(jié)論。

3.4 PLAXIS 3D 模型網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的粗細(xì)程度、 模型的大小及邊界條件的約束形式是影響計(jì)算結(jié)果的重要因素。 不合理的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致計(jì)算誤差太大、 計(jì)算結(jié)果不收斂等不良后果。 因此, 在網(wǎng)格劃分過程中, 必須考慮網(wǎng)格的粗細(xì)程度與網(wǎng)格數(shù)量、 模型大小之間的協(xié)調(diào)性, 以取得合理的計(jì)算結(jié)果。

由于本文重點(diǎn)關(guān)注開挖基坑周圍土體變形情況, 故對(duì)基坑周圍土體部分的網(wǎng)格劃分較為稠密, 而對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分的網(wǎng)格劃分較為稀疏。 粗細(xì)網(wǎng)格之間的協(xié)調(diào)搭配一定程度上減小了計(jì)算誤差, 有利于增加計(jì)算結(jié)果的可信度。 基坑模型網(wǎng)格劃分情況如圖6 所示。

4 基坑計(jì)算結(jié)果及塔吊安全分析

圖6 模型網(wǎng)格剖面Fig.6 Meshes of model

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算采用理正深基坑軟件, 計(jì)算結(jié)果如表3 所示, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、 剛度、 穩(wěn)定性及基坑整體穩(wěn)定性、 抗傾覆、 抗隆起等指標(biāo)均滿足《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)[7]的要求。

表3 基坑設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Parameters of foundation ditch design

采用PLAXIS 3D 有限元軟件對(duì)該基坑展開精細(xì)化復(fù)合分析計(jì)算, 通過分析基坑周邊土體應(yīng)力及變形情況判斷基坑周邊布置塔吊的可行性及塔吊運(yùn)行的安全性, 總位移變形云圖如圖7 所示,總沉降量由基坑周邊到四周呈減小趨勢(shì),X方向基坑兩邊變形對(duì)稱,Y方向由于塔吊基座的影響, 出現(xiàn)明顯不對(duì)稱現(xiàn)象。

圖7 基坑總位移變形(單位: mm)Fig.7 Deformation contour of the foundation ditch(unit: mm)

4.1 基坑Y 方向土體沉降特點(diǎn)

為了定量分析基坑周圍土體變形情況, 以X軸為法線過模型面荷載形心X=40m 處做縱向剖面分析土體沉降變形, 如圖8 所示。 對(duì)比基坑兩側(cè)沉降發(fā)現(xiàn), 塔吊存在一側(cè)基坑周邊土體最大沉降量(10.8mm) 明顯大于另一側(cè)最大沉降量(4.5mm), 沉降曲線整體呈“√”形, 越靠近基坑邊緣沉降越大, 越遠(yuǎn)離基坑邊緣沉降越小, 模型邊界處沉降趨近于0。 而在模型水平位置(Y方向0～10m 范圍及40m ～50m 范圍), 沉降變形相對(duì)較小, 即距離基坑邊緣大約2 倍開挖深度以外, 地表土體沉降變形很小, 變形曲線呈“漏斗”形。

另一方面, 由于單側(cè)塔吊荷載的存在, 使得基坑左側(cè)(模型水平位置Y方向10m ～20m 范圍內(nèi))土體沉降量整體較大, 而與其相對(duì)的右側(cè)(模型水平位置Y方向32m ～40m 范圍內(nèi))土體沉降量相對(duì)較小, 表明地表附加荷載使基坑周圍土體沉降變形增加, 導(dǎo)致基坑兩側(cè)變形不對(duì)稱, 符合實(shí)際工程情況。 計(jì)算結(jié)果表明基坑周邊塔吊基座下土體最大豎向沉降量為11mm, 小于20mm, 滿足《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120 -2012)、《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497 -2009)要求, 正常使用極限狀態(tài)下塔吊基礎(chǔ)不均勻沉降量為7mm, 傾斜量為0.1%, 滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007 -2011)及裝配式塔吊安裝/使用要求。

4.2 基坑X 方向土體沉降特點(diǎn)

以Y軸為法線,Y=25m 處做縱向剖面, 如圖9 所示, 水平地面處基坑周圍土體沉降變形對(duì)稱, 最大沉降量出現(xiàn)在靠近基坑邊緣10m 范圍內(nèi), 其變形符合實(shí)際情況。

圖9 基坑縱剖面土體沉降Fig.9 Deformation of the foundation ditch

由計(jì)算結(jié)果分析可知在板樁墻、 內(nèi)支撐及錨索等圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在的情況下, 運(yùn)行塔吊荷載作用下的砂性土中基坑開挖所引起的周圍土體變形情況符合實(shí)際開挖情況, 土體總位移從基坑邊緣處到四周逐漸減小, 與無限遠(yuǎn)處地面沉降為零的趨勢(shì)相吻合。

4.3 深度方向基坑周邊土體水平側(cè)移特點(diǎn)

基坑周圍土體水平側(cè)移量能直接反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度, 是保護(hù)周邊環(huán)境必須參考的重要參數(shù), 因此對(duì)水平側(cè)移量的控制有著重要意義。 圖10、 圖11 分別為基坑短邊、 長邊中部圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移量數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果, 整體上由于土方開挖基坑內(nèi)卸載導(dǎo)致周圍土體有向坑內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)。

圖10 坑短邊中部水平位移Fig.10 Deformation of the foundation ditch

圖11 基坑長邊中部水平位移Fig.11 Horizontal displacement of the foundation ditch

由圖10 可知, 沿深度Z方向, 兩側(cè)土體向基坑內(nèi)側(cè)的水平側(cè)移對(duì)稱, 在基坑頂面及底面由于錨索、 基底被動(dòng)土壓力及樁的嵌固作用使得側(cè)移量相對(duì)較小, 而在基坑中部由于側(cè)向剛度較低而出現(xiàn)相對(duì)較大的側(cè)移量, 符合實(shí)際情況。

由圖11 可知, 除符合上述特點(diǎn)外, 在塔吊荷載存在一側(cè), 基坑邊水平側(cè)移明顯大于另一側(cè), 這是由于塔吊基座的豎向荷載, 使得該側(cè)土體豎向應(yīng)力增大, 相應(yīng)地水平側(cè)壓力增大, 水平側(cè)移也隨之增大。 計(jì)算結(jié)果表明塔吊存在一側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移量為10mm, 小于30mm, 滿足《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497 -2009)要求。

5 結(jié)語

本案例中, 塔吊一側(cè)基坑周邊土體沉降變形相對(duì)較大, 計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況, 最大沉降量滿足《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497 -2009)要求。 塔吊基礎(chǔ)不均勻沉降量約7mm, 傾斜量為0.1%, 不均勻沉降及傾斜滿足規(guī)范及裝配式塔吊安裝/使用要求。 塔吊一側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移較大, 計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況, 最大側(cè)移量滿足規(guī)范要求。 因此, 在條件允許且計(jì)算滿足相關(guān)規(guī)范的情況下, 在基坑邊布置裝配式小型塔吊是安全可行的。