逆作法施工中外包混凝土樁柱受力性能影響因素分析

楊凱鈞

（廣州大學(xué)市政技術(shù)學(xué)院， 廣東 廣州 510000）

0 引言

逆作法是自上而下逐層施工的施工工藝，首先沿準(zhǔn)建建筑物四周施工地下連續(xù)墻或排樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時在區(qū)域內(nèi)部施工樁柱作為豎向支撐體系，再分層開挖土體并構(gòu)筑水平分界梁板體系[1-2]。與傳統(tǒng)的順作法相比，逆作法可地上地下同時施工，有效的縮短了建設(shè)工期；揚(yáng)塵少、噪音小，且節(jié)省場地空間，創(chuàng)造了良好的社會效益[3-4]。逆作法施工中的水平支撐將成為永久的地下室梁板體系，豎向支撐臨時立柱可通過外包混凝土作為主體結(jié)構(gòu)柱的一部分[5]。為避免外包混凝土樁柱受力破壞引起主體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的發(fā)生，使對采用逆作法施工的外包混凝土樁柱的受力性能的研究變得至關(guān)重要。

1 工程概況和數(shù)值模型建立

1.1 工程概況

本文將依托三層地下室工程，該地下室為長510m，寬16m 的矩形建筑，總建筑面積為25800 ㎡，每層層高均為5.2m?；A(chǔ)形式采用筏板基礎(chǔ)，主體結(jié)構(gòu)為板柱體系，柱網(wǎng)為6m×6m，立柱樁為直徑600mm 的鉆孔灌注樁，立柱為480mm×480mm 的矩形截面，底板和頂板厚550mm，中間板厚350mm，利用厚800mm 的地下連續(xù)墻作為地下室外墻。水文地質(zhì)條件見模型參數(shù)的選取。地下室采用蓋挖逆作法逐層施工，逐層構(gòu)筑。

1.2 模型建立

利用數(shù)值分析軟件FLAC3D 建立三層地下室的有限元模型，分析外包混凝土強(qiáng)度及外包尺寸對包樁柱受力性能的影響，并判斷二者影響的程度。

1.2.1 模型基本假定

模型中假設(shè)土層及構(gòu)件材料均勻且各向同性，不考慮地下水的作用，也不考慮場地時間及空間的影響，僅作簡單的單因素影響分析[6]。

1.2.2 模型本構(gòu)及材料參數(shù)的選取

為了計(jì)算的精確性及收斂速度，模型長、寬邊界至開挖邊緣的距離各約取開挖深度的3～5 倍，模型高取開挖深度的兩倍[7]，即模型尺寸長×寬×高為600m×50m×30m。模型中土體采用彈塑性摩爾庫倫本構(gòu)，樓板采用板單元，立柱采用梁單元，立柱采用桁架單元。土層主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)參數(shù)如表1、表2 所示：

表1 各土層的主要參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要力學(xué)參數(shù)

2 施工工況劃分

在實(shí)際中，地下工程施工受眾多因素影響，有主觀上的操作影響，也有如天氣變化、周邊環(huán)境等客觀因素的影響。雖然數(shù)值模擬并不能完美還原實(shí)際，但通過簡化工序，考慮主要因素，忽略次要因素，不僅可以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可大大減小工作量[8]。模型施工工況如表3 所示：

表3 模型施工工況設(shè)置

3 外包混凝土尺寸對包樁柱的受力影響分析

采用單因素分析法，選定C30 混凝土作為樁、柱的混凝土強(qiáng)度等級，確保是在二者混凝土強(qiáng)度相同的前提下，分析不同外包尺寸對包樁柱的受力影響。對比參數(shù)見表4：

表4 外包混凝土尺寸變化

我們只提取某一包樁柱上部的壓應(yīng)力、壓應(yīng)變和最大位移數(shù)據(jù)，并將其繪制成曲線圖，分析結(jié)果規(guī)律。應(yīng)力、應(yīng)變、最大位移變化趨勢如圖1 所示：

圖1 外包尺寸對包樁柱受力影響

通過觀察尺寸不同的外包混凝土樁柱應(yīng)力、應(yīng)變、最大位移的變化情況可知：隨著外包混凝土尺寸的增大，包樁柱頂部的應(yīng)力、應(yīng)變、最大位移逐漸減小，且外包尺寸由120mm×120mm 增加至150mm×150mm 時其變化量最明顯，后隨著尺寸增加三值變化幅度相應(yīng)減小，由240mm×240mm 增加至270mm×270mm 時變化幅度甚微。相對來說，外包混凝土尺寸的改變對壓應(yīng)力的影響最顯著，對壓應(yīng)變的影響次之，對最大位移的影響最小。在確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，從考慮經(jīng)濟(jì)成本的角度出發(fā)，選擇250mm×250mm 的外包混凝土尺寸最適當(dāng)。

4 外包混凝土強(qiáng)度對包樁柱的受力影響分析

為分析不同外包混凝土強(qiáng)度對包樁柱受力變形的影響，選定外包混凝土尺寸為250mm×250mm，C25、C30、C35、C40、C45、C50 這幾種常見標(biāo)號的混凝土強(qiáng)度作為參數(shù)變化進(jìn)行對比分析，如表5，將其結(jié)果繪制成柱狀圖，其值如圖2所示：

表5 外包混凝土強(qiáng)度變化

圖2 外包混凝土強(qiáng)度對包樁柱受力影響

由圖可知，在混凝土外包尺寸不變的情況下，包樁柱頂部壓應(yīng)力隨混凝土強(qiáng)度等級的提高而變大，而混凝土強(qiáng)度等級由C45 提至更高等級時，其壓應(yīng)力變化已不再明顯。壓應(yīng)變和最大位移隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高而變小，由C30 提高至C35 時，二者變化不大?；炷翉?qiáng)度等級達(dá)到C40 時，混凝土強(qiáng)度等級的提高對應(yīng)力、應(yīng)變變化并不明顯，由此可知一味的提高混凝土強(qiáng)度等級并不是保證包樁柱安全穩(wěn)定最的佳辦法，應(yīng)合理結(jié)合其它影響因素一并考慮。

5 結(jié)語

通過前述分析和總結(jié)，我們可以得出幾個主要結(jié)論：包樁柱的壓應(yīng)力、壓應(yīng)變、最大位移隨外包混凝土尺寸的增大而減小，且對壓應(yīng)力的影響最大，對最大位移的影響最小，但考慮經(jīng)濟(jì)問題，本模型下外包尺寸選擇250mm×250mm 最適當(dāng)。隨著混凝土強(qiáng)度等級的提高，包樁柱壓應(yīng)力逐漸增大，壓應(yīng)變及最大位移逐漸減小，混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C40 時，壓應(yīng)力及壓應(yīng)變受其影響不再明顯，包樁柱的安全穩(wěn)定并非純粹的提高砼標(biāo)號，要結(jié)合其它因素一并考慮。