多排水泥土插芯圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)變形分析及應(yīng)用

1、    多排水泥土插芯圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)變形分析及應(yīng)用    付玉恩摘要：本文針對(duì)具體的工程實(shí)例，分別采用復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范算法和有限元法計(jì)算多排水泥土插芯作為圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)的基坑開(kāi)挖變形、周邊沉降和整體穩(wěn)定性分析，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，分析產(chǎn)生誤差的原因。研究了插芯對(duì)整體穩(wěn)定性的影響，驗(yàn)證了在計(jì)算整體穩(wěn)定性時(shí)規(guī)范中對(duì)水泥土插芯不予考慮的合理性，明確了通過(guò)水泥土中插芯來(lái)提高整體穩(wěn)定性是不可行的。abstract： in this paper， according to specific engineering examples， the algorithm

2、and the finite element method in "composite soil nailing foundation pit supporting technical code" are respectively used to calculate the excavation deformation， surrounding settlement and overall stability analysis of the multi-row cemented soil core as the retaining wall structure， the r

3、esult was compared with the measured values and the cause of the error was analyzed. the influence of the ferrule on the overall stability was studied， and the rationality of not considering the cement soil ferrule in the specification when calculating the overall stability was verified， and it was

4、clarified that it was not feasible to improve the overall stability by inserting the core in cement and soil.關(guān)鍵詞：水泥土插芯；基坑變形；整體穩(wěn)定性key words： cement soil core；foundation pit deformation；overall stability：tu433 ：a ：1006-4311（2018）18-0107-030 引言隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市建設(shè)用地越來(lái)越緊張，城市地下工程的建設(shè)難度不斷增加，基坑支護(hù)難度不斷加大。場(chǎng)地狹小，且周邊存

5、在有重要的建構(gòu)筑物，不具備大型機(jī)械施工空間的基坑工程不斷出現(xiàn)1。水泥土樁插芯支護(hù)結(jié)構(gòu)因其所需操作空間小，穿越地下障礙能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)2-5，在深基坑工程中得到廣泛的應(yīng)用6-8。復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范（gb 50739-2011）將多排水泥土插芯樁按微型樁考慮，不考慮抗彎剛度9。在計(jì)算水泥土插芯樁產(chǎn)生的抗滑力矩時(shí)進(jìn)行折減，規(guī)范推薦的折減系數(shù)為0.10.3，且微型樁樁體材料抗剪強(qiáng)度較高、截面積較大時(shí)折減系數(shù)越小，具有較大的安全儲(chǔ)備。在施工周期短、開(kāi)挖深度小的項(xiàng)目中，如按規(guī)范推薦的折減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，則水泥土插芯圍護(hù)墻支護(hù)形式的有利作用將得不到充分發(fā)揮，在一定程度上限制其在工程中的應(yīng)用

6、。本文旨在既有完工項(xiàng)目基礎(chǔ)上，采用復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范中的算法進(jìn)行受力分析，并與有限元分析結(jié)果及實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。1 工程概況1.1 項(xiàng)目概況昆明市某基坑工程平面現(xiàn)狀為矩形，長(zhǎng)26.3m，寬15.0m，整體設(shè)兩層地下室，負(fù)一層地下室層高3.3m，負(fù)二層地下室層高4.8m，基坑開(kāi)挖深度為8.9m。開(kāi)挖周長(zhǎng)87.4m，開(kāi)挖面積445.5m2。本項(xiàng)目北側(cè)及東側(cè)為混6混8的“l(fā)”型醫(yī)技樓，醫(yī)技樓距離基坑開(kāi)挖線1.972.33m；南側(cè)為住院樓，距離基坑邊13.7m；西側(cè)為磚2配電室，距基坑1.031.39m，屬重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象，且不可改遷。1.2 工程地質(zhì)和水文條件本項(xiàng)目場(chǎng)地處滇池東側(cè)，屬高原河湖復(fù)

7、合相堆積地貌；地層自上而下依次為第四第人工活動(dòng)層（q4ml）、第四系沖洪積（qal+pl）、湖積（q4al+l），基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)主要土層如下：雜填土及1層素填土（老填土），結(jié)構(gòu)松散，層厚不均，最大厚度達(dá)5.60m，成份不均，軟硬不均，該層土結(jié)構(gòu)松散，固結(jié)較差。粉質(zhì)粘土，可塑硬塑狀態(tài)，中壓縮性；物理力力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好，地基承載力特征值為150kpa。1粘土，軟塑狀態(tài)，高壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)較差，地基承載力特征值為80kpa。圓礫，稍密，局部地段為中密，物理力學(xué)性質(zhì)好，層位穩(wěn)定，承載力特征值為250kpa。1粉土，稍密狀態(tài)，2層為稍密中密的礫砂，物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)較好，中壓縮性，該兩層以透境體存在于

8、層圓礫中，承載力特征值均大于140kpa。圓礫，中密，物理力學(xué)性質(zhì)好，承載力特征值為280 kpa；強(qiáng)度高，厚度較大，分布穩(wěn)定，埋深均在現(xiàn)地表12m以下，平均厚度均大于10m。1層為稍密中密狀態(tài)的粉砂，物理力學(xué)性質(zhì)較好，承載力特征值為160kpa。2層稍密中密狀態(tài)的粉土，物理力學(xué)性質(zhì)一般，承載力特征值為140kpa。粉質(zhì)粘土，可塑硬塑狀態(tài)，中壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)稍好。1層為中密狀的粉土，中壓縮性，物理力學(xué)性質(zhì)較好，以透境體存在于層中。該兩層地基承載力特征值均大于165kpa。場(chǎng)地穩(wěn)定靜止水位在現(xiàn)地表下1.20左右，地下水類型主要為孔隙潛水及上層滯水。上層滯水賦存于表層結(jié)構(gòu)松散的填土層中，水量較

9、??；孔隙型潛水的主要含水層為粉土、粉砂、礫砂及圓礫層，具承壓性，補(bǔ)給源為大氣降雨及地表涇流補(bǔ)給和控制，與西側(cè)玉帶河存在水力聯(lián)系。2 支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)本項(xiàng)目對(duì)基坑支護(hù)的安全性要求高、控制變形要求嚴(yán)、周邊環(huán)境復(fù)雜、大型機(jī)械施工受限等特點(diǎn)?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用高壓旋噴樁內(nèi)插雙排89×4.0鋼管微型樁，外加豎向七排預(yù)應(yīng)力錨桿形成“土釘墻+微型樁+預(yù)應(yīng)力錨桿+截水帷幕”的復(fù)合支護(hù)形式，高壓旋噴樁兼具止水功能。高壓旋噴樁直徑為500mm，水平間距為300mm，平面上設(shè)置雙排，排距400mm；插芯為89×4.0鋼管，設(shè)置雙排，排距400mm；微型樁樁頂設(shè)置1000×600mm鋼筋混凝土

10、冠梁，冠梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為c30；預(yù)應(yīng)力錨桿水平間距1.2m；桿體材料為48×3.0鋼管內(nèi)插22hrb500螺紋鋼筋，注漿材料為水泥凈漿，水灰比為0.50.6，采用二次高壓注漿工藝。錨桿標(biāo)高設(shè)置腰梁，腰梁采用兩根16b槽鋼拼裝而成，槽鋼下設(shè)置鋼筋混凝土暗梁，暗梁混凝土等級(jí)為c30。支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，典型支護(hù)剖面如圖2所示。3 分析計(jì)算3.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化及參數(shù)選取選取圖2所示典型設(shè)計(jì)剖面進(jìn)行計(jì)算分析，規(guī)范算法簡(jiǎn)化為：周邊建筑物按15kpa/層等效為超載參與計(jì)算；插芯的作用按等強(qiáng)度代換為水泥土；采用等面積原則將單位長(zhǎng)度水泥土樁截面積換算為水泥墻。有限元計(jì)算簡(jiǎn)化為：水泥土采用實(shí)

11、體單元；插芯鋼管采用梁?jiǎn)卧?；水泥土和土體采用修正摩爾庫(kù)倫模型；周邊建筑按平面問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化。為便于與規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行比較，有限元模型不考慮土層在平面上的變化，按水平分層考慮。有限元模型詳見(jiàn)圖3。按實(shí)際施工設(shè)置分析工況，土方分層開(kāi)挖，錨桿分層施工。每個(gè)土方開(kāi)挖工況設(shè)置500mm超挖深度，即開(kāi)挖到錨桿設(shè)計(jì)標(biāo)高下500mm后施工錨桿，最后一層錨桿開(kāi)挖到坑底后施工，共計(jì)定義15個(gè)工況。開(kāi)挖至某一深度后的工況較該深度下錨桿施工工況更加危險(xiǎn)，例如工況3為開(kāi)挖至第二層錨索施工標(biāo)高（該工況錨桿未施工），工況4為第二層錨桿施工，工況3較工況4更不利，故在后續(xù)分析中僅針對(duì)不利工況（開(kāi)挖工況）進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算分析所采

12、用參數(shù)如表1和表2所示。3.2 變形結(jié)果及分析圖4為采用規(guī)范算法計(jì)算得到各不利工況下水泥土水平位移曲線，圖5為采用有限元計(jì)算得到各不利工況下水泥土水平位移曲線，圖6為開(kāi)挖至坑底工況下的水平變形云圖。根據(jù)施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)結(jié)果，基坑開(kāi)挖至坑底后冠梁頂部位移為4.35mm，最大位移發(fā)生在坑底上2.31m位置，變形值為10.58mm，最大沉降6.19mm。對(duì)比實(shí)測(cè)值和計(jì)算結(jié)果，可以看出，采用水泥土插芯做為圍護(hù)結(jié)構(gòu)在本項(xiàng)目中是可行的。規(guī)范算法計(jì)算得到最大變形值為16.12mm，最大變形值點(diǎn)位于坑底2.4m，坑外最大沉降為13mm；有限元計(jì)算得到最大變形值為11.81mm，最大變形值發(fā)生位置為坑底上1.4m

13、，坑外最大沉降4.45mm。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表3。通過(guò)對(duì)比計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，可以發(fā)現(xiàn)有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較接近，誤差為11.63%；規(guī)范算法由于不考慮水泥土的有利作用，計(jì)算所得變形與實(shí)測(cè)之間的誤差為52.36%，證明在一定開(kāi)挖深度的情況下，水泥土插芯圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)中水泥土的作用較大，但水泥土的有利作用的定量分析仍待后續(xù)進(jìn)行。同時(shí)也證明了在具體項(xiàng)目的實(shí)例背景下采用水泥土插芯作為基坑開(kāi)挖的豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)是可行的。此外，在有限元計(jì)算過(guò)程中未考慮足夠的安全系數(shù)，將有限元結(jié)果運(yùn)用于實(shí)際工程中需高度關(guān)注，認(rèn)真分析計(jì)算結(jié)果，確保將有限元分析結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)同時(shí)滿足規(guī)范要求。3.3 插芯對(duì)整體穩(wěn)

14、定性系數(shù)的影響采用規(guī)范算法計(jì)算本項(xiàng)目的整體穩(wěn)定性系數(shù)，在考慮89×4.0鋼管插芯作用下，整體穩(wěn)定安全系數(shù)1.604，不考慮插芯作用下的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.600，兩者比較接近，插芯對(duì)本項(xiàng)目整體穩(wěn)定安全系數(shù)的提高不是特別明顯，這進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范在計(jì)算整體穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)不考慮插芯的合理性，也說(shuō)明本項(xiàng)目如通過(guò)增加插芯來(lái)解決整體穩(wěn)定性問(wèn)題是不可行的。4 結(jié)論通過(guò)對(duì)具體項(xiàng)目采用規(guī)范算法和有限元進(jìn)行分析，論證了多排水泥土插芯圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)在基坑開(kāi)挖施工中的適用性。通過(guò)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：證明了復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范整體穩(wěn)定性計(jì)算中不考慮插芯作用的合

15、理性，同時(shí)也證明了通過(guò)增加插芯來(lái)解決整體穩(wěn)定問(wèn)題是不可行的。在具有真實(shí)可靠的土工數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元模擬仿真分析其結(jié)果與實(shí)測(cè)比較接近，可做復(fù)雜項(xiàng)目的輔助分析，增加設(shè)計(jì)的可靠性。多排水泥土插芯作為豎向支擋結(jié)構(gòu)在本項(xiàng)目地質(zhì)條件下支擋結(jié)構(gòu)水平位移量小于有限元分析計(jì)算變形量；多排水泥土插芯作為復(fù)合支擋結(jié)構(gòu)具有重要的作用，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮項(xiàng)目特點(diǎn)加以選用，以充分發(fā)揮其工程經(jīng)濟(jì)效益。水泥土成樁強(qiáng)度是多排水泥土插芯樁的抗彎剛度發(fā)揮的重要因素，在工程應(yīng)用中需考慮施工工藝、不同土層中成樁強(qiáng)度的差異對(duì)支擋結(jié)構(gòu)作用的影響；在軟弱土層中采用多排水泥土插芯圍護(hù)墻時(shí)需結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)使用。參考文獻(xiàn)：1鄭剛，朱合華，劉新榮，

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