临近既有建筑物的新型局部双排桩基坑支护结构.pdf
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1、四川建筑第43 卷第4期岩土工程与地下工程临近既有建筑物的新型局部双排桩基坑支护结构李永奎,唐科行,杨霞芬(中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司,四川成都6 1 0 0 8 1)【摘要】基坑支护作为临时工程,其目的仅为新建工程提供作业空间,优化基坑支护设计具有很好的经济价值。以成都卵石土地区新建基坑为例,提出了2 种介于单排桩与双排桩之间的新型基坑支护形式,基于有限元分析,对新型基坑支护结构的水平应力和桩顶最大水平位移进行了研究分析。结果表明,桩基的水平应力变化规律,与基坑一地下室近距和基坑一地下室之间高差密切相关,水平近距与高差之间的比值存在一个临界值,超过临界值后,前后排桩的桩基水平应力
2、变化规律出现明显变化。新型基坑支护结构的桩顶最大水平位移满足规范要求,在单排桩与双排桩之间寻找到经济性更好的基坑支护形式,实现节约投资的目的。【关键词】卵石土;新型基坑支护结构;有限元:水平位移【中图分类号】TU473.1*20引言近年来,随着城市化建设的持续发展,建筑密度不断增大,大量地下结构物的存在导致拟开挖基坑通常临近既有地下结构物,经典的土力学理论是基于半无限空间的假定提出,对于临近既有地下结构物开挖基坑的形式不适用。卵石地层大多由河流的冲刷、堆积和沉积作用而形成的,由于母岩的差异,导致卵石层的厚度、成分、分布区域多变,卵石地层具有松散、无胶结、自稳能力差、单个石块强度高,颗粒之间空隙
3、大、粘聚力小、渗透系数大、区域性很强等特点,属于稳定性较差的岩土体。因此,对于临近既有建筑物的卵石土地区深基坑工程,需进行单独研究分析。目前,对于成都卵石土地区基坑,研究较多的是明挖隧道基坑,于丽等2 1 以成都机场路开挖宽度1 3.6 m,开挖深度1824m明挖隧道为例,基于有限元软件,对抽水条件下基坑周边变形规律进行了研究分析;童建军等3 采用颗粒离散元法,分析了成都地铁卵石地层深基坑开挖过程中周边地面沉降的变化规律;李国杰4 基于FLAC软件,对成都天府广场地铁车站深基坑的变形规律进行了研究分析;袁坤5 以成都地铁塔子山车站基坑工程为研究对象,对比分析了ANSYS地面沉降数据和现场监测地
4、面沉降数据;陈盛金6 利用FLAC3D软件模拟分析了春熙路2 号线地铁车站深基坑地面沉降情况。因此,采用有限元软件是研究分析深基坑的常用方法,但以上相关研究文献主要是针对相对狭长的地铁工程案例,而对于长宽尺寸相差不大的成都地区基坑研究相对较少,范文军等7 以成都市某周长约2 42 m,开挖深度约1 5 m且临近既有建筑的基坑工程为例,采用单排桩+2 道锚索的支护形式,通过监测数据与现有设计软件计算结果进行对比分析,得出软件计算结果更偏于安全以及基坑支护结构的最大水平变形可以控制在3 0 mm。综上,成都地区对于长宽尺寸相差不大的临近既有建筑深基坑研究较少,而建筑物对新建基坑支护结构影响较大,刘
5、晓军8 利用GTSNX数值模拟软件,研究分析不同临近建【文献标志码】A筑物地下室深度的基坑开挖模型,研究发现,随着临近建筑物地下室深度的增加,土体应力、最大剪应变、位移和桩体位移相应增大;当基坑临界深度小于0.8 倍基坑开挖深度时,临近建筑物对基坑开挖存在不利影响,反之,则临近建筑物对基坑开挖存在有利影响。因此,临近基坑的既有建筑物对基坑支护结构有较大影响,对于这类问题需单独研究。本文以成都地区某长宽尺寸相差不大且临近既有建筑物的基坑工程为例,基于有限元数值软件,以既有建筑物不同基坑埋深为研究变量,系统分析了其对3 种不同基坑支护结构的力学特性影响,其研究成果对于决策本基坑支护形式提供了参考价
6、值。1工程实例1.1工程简介工程位于成都市某地区拟建一栋2 8 层的公寓楼,地下室2 层,需开挖深度约1 2 m的深基坑。其中,基坑一侧临近一栋地上1 3 层、地下2 层的既有建筑物,现状地面是正负零标高,地下室底板的标高是-9.0 m,靠近既有建筑物侧的基坑红线边界与建筑物地下室外墙间净距7.8 m,典型断面详见图1。经钻探揭露,在勘探深度范围内,拟建场地从上到下依次为第四系上更新统I级阶地黏土和卵石土,下伏基岩为白垩系上统灌口组泥岩。为了保证基坑支护安全以及减小对既有建筑物的影响,本工程拟采用双排桩基坑支护结构,利用理正深基坑软件对不同桩间距及桩径的双排桩支护结构进行了研究分析,最终采取经
7、济性较高的桩径和桩间距,即桩径1.2m,桩间距1.8 m,前后排桩间距2.5 m,冠梁和连系梁的宽高是1.2 m1.0m。1.2工程地质情况本工程卵石土呈灰白、灰黄色,成分以花岗岩、闪长岩为定稿日期 2 0 2 2-0 6-2 4作者简介 李永奎(1 9 9 2 一),男,硕士,工程师,主要从事铁路路基及基坑支护设计工作。141岩土工程与地下工程四川建筑第43 卷第4期MM号性6号石土1推(a)双排桩示意(a)工程平面示意(b)靠既有建筑物一侧代表断面示意(单位:m)图1 基坑工程示意主,次为石英岩、灰岩、砂岩、泥岩等。颗粒圆状一次圆状,分选较好,微风化为主,少量中等一强风化。天然重度2 1.
8、5kN/m,内摩擦角3 5,泊松比0.2 7,基本承载力3 0 0 kPa1.3水文地质条件地下水水量较丰富,为孔隙潜水,具微承压性,地下水埋深一般为1 1.5 1 2.0 m不等,卵石土为强透水层,富水性较好,渗透系数1 8 2 2 m/d,因此本基坑可不考虑降水措施。2数值模拟分析2.1新型基坑支护结构介绍对于临近既有建筑物的新建基坑工程,由于既有建筑物的存在,对基坑设计时的主动土压力计算有一定的遮拦效应。而现有的二维计算软件,比如理正深基坑,只能计算分析单排桩或双排桩,对于单排桩不适用而双排桩又显得保守的设计时,没有更好的解决办法。为了优化双排桩设计,本文还建立了2 种新型基坑支护形式进
9、行对比分析。(1)双排桩支护结构,如图2(a)所示。双排桩是一种新型的基坑支护结构,通过连系梁将前后排桩连接,形成类似于门架的空间结构体系,属于悬臂式空间组合支护结构。与传统的单排悬臂桩相比,双排桩具有刚度大、侧向位移小、施工便捷等优势,被广泛运用于基坑空间较大,建筑红线小且不适用于内支撑而又对水平位移要求较为严格的工程9-0 。(2)将双排桩后侧桩基每隔1 根桩基设置1 根桩基,简称隔一桩,如图2(b)所示。通过局部设置双排桩形成一个局部加固区,其受力形式类似于桩板墙,双排桩范围可以看成桩基,单排桩范围可以看成挡土板,通过这种方式增强单一单排桩的实用范围。(3)将双排桩后侧桩基每隔2 根桩基
10、设置2 根桩基,简称隔二桩,如图2(c)所示。通过理正深基坑计算时,冠梁除了将桩基连接成为一个整体外,还提供桩基一个很好的约束,这种约束作用与冠梁的计算跨度密切相关。局部双排桩与单排桩相比,局部双排桩通过前后排桩之间的连系梁将局部前后排桩连接形成一个整体,给前排桩的冠梁提供一个受力支点,有利于减小前排桩冠梁的计算跨度,从而增强冠梁对桩基的约束力,达到优化桩基受力特性和变形特性的目的。2.2模型建立假定岩土体为非线性弹塑性体,采用D-P弹塑性模型,对于桩基、冠梁和连系梁采用弹性模型,如图3 所示。本工程还利用BIM软件Bentley,在确定除既有建筑物一侧的基坑设计方案时,起到了明显作用,对于不
11、同工况衔接以及土石方计算方面,BIM软件都有着明显优势。模型的边界尺寸对计算结果有一定程度的影响,为了降142d(b)隔一桩示意(c)隔二桩示意图2 3 种基坑结构示意低有限元分析时的尺寸效应,采用郑颖人建议的边界范围,如图3(a)所示。桩基长度2 1.5 m,基坑计算深度取45.0 m(z 方向),模型长度取8 8.0 m(x 方向),纵向宽度取9 5.0 m(y方向)。为了便于后续描述,将靠近既有建筑物一侧桩基进行编号,如图3(b)所示,前排桩(靠基坑侧)桩基编号是1号桩4号桩,后排桩(靠既有建筑物侧)桩基编号是5 号桩8号桩。方尚X方向方(a)有限元模型图3 模式示意2.3计算参数在参考
12、工程地质手册下,根据地质勘察报告,罗列出数值模拟所需的地层和支护结构的力学参数,如表1 所示。表1 地层和支护结构物理力学参数重度弹性模量部件名称泊松比u(kN/m3)E/MPa卵石土24桩基25冠梁、连系梁252.4计算工况根据DBJ51T5072-2011成都地区基坑工程安全技术规范中5.1.4条:基坑周边超载和施工荷载及建筑物每层荷载,当无资料时,设计取值不小于1 5 kPa;通过计算,附加建筑荷载按照8 6 kPa考虑。本文研究共分成4种工况,分别是:工况1(建筑物无地下室,基础在地表并施加建筑荷载)、工况2(建筑物基础埋深3 m并施加建筑荷载)、工况3(建筑物基础埋深6 m并施加建筑
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