某逆作法基坑围护桩与立柱差异沉降分析

唐晓强 张志豪 张庚成

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东 青岛 266100; 2.中国石油天然气华东勘察设计研究院岩土工程公司，山东 青岛 266071)

0 引言

在逆作法施工中经常遇到由于立柱桩之间或者桩墙之间产生过大的沉降差而导致楼板开裂，甚至引发渗漏问题。为此控制桩与桩以及桩与墙之间的差异沉降成为近年来研究的热点。产生裂缝，引起渗漏问题，甚至危及结构永久的安全。中华人民共和国行业标准YB 9258－99建筑基坑工程技术规范规定相邻立柱之间和立柱与围护墙之间沉降差应控制在 0.002L(L为轴线间距)以内[1]。

谢小松(2007)[2]通过现场实测以及模拟研究表明:桩与桩、桩与墙的沉降差主要是由于开挖卸载和主体结构施工加载的变化造成的，桩与桩、桩与墙的沉降差与距离围护墙的距离成负向关系，由于围护墙的刚度比桩大的多，故一般围护墙的沉降较小。

钟建驰等[3]对嵌岩地下连续墙的结构模型进行了研究，以验证地下连续墙极限承载能力和参数取值的合理性。

1 工程概况

本工程位于青岛市东部新区，周围建筑密集，且有高层。该工程为两层地下室结构，层高4.5 m，开挖深度约13.8 m，是一项相对独立、设施完善的平战结合6级人防工程。此外，南侧还将与附近的地铁站相通。

典型剖面见图1:以各层地下室的板梁作为施工时围护结构的水平支撑体系，采用筏板基础结合立柱桩作为基础，工程完成后，结构顶板上覆土厚度在3 m左右，层高约4.50 m，工程主跨度多为8 m，设计采用逆作法施工。

该人员掩蔽工程基坑开挖14.6 m，支护体系采用φ1 000@1 400钻孔灌注，桩长16 m，桩嵌岩深度不小于3 m，钻孔灌注桩钢筋全长配置，主筋采用HRB400级钢筋，混凝土强度为水下 C30，冠梁为C30混凝土冠梁;此外在灌注柱桩外侧设置φ1 200@900和φ800@1 400的止水帷幕，并且高压旋喷桩进入止水帷幕不小于500 mm，桩顶标高为0.00 m。计算时考虑地面荷载20 kPa。

图1 计算采用的典型剖面

2 有限元法围护墙与立柱差异沉降计算

通过plaxis对基坑施工过程进行有限元模拟，分析上述差异沉降。模型的尺寸为60 m×30 m。在模拟中，围护挡墙、逆作板梁、立柱桩均按板梁单元模拟[4，5]，模拟过程中去基坑剖面的一半(该剖面共6根立柱，5跨)，为便于顶板、中板施工模拟，在梁板位置超挖0.5 m施加梁单元，以防止梁板下土层隆起造成梁单元绝对位置与土层重叠。本模型中没有考虑底板的抗浮锚杆的作用。场地条件见表1，建立了三角形单元的物理模型，如图2所示。

表1 各土层的物理参数

图2 计算模型示意图

图3为底板未浇筑前基坑剖面顶板、坑底节点位移矢量图，该剖面中板节点位移矢量图与定边相似。总体上立柱产生一定的向上隆起，自基坑边侧向基坑中央隆起量增大，经数值计算该剖面顶板最大变形为9.51 mm且方向一致，立柱间差异沉降应小于该变形值符合规范要求的10 mm～20 mm变形允许值。

3 变形分析

逆作法中顶板可视为标准压弯构件，同时受到围护桩水平方向的压力以及立柱对其施加的剪力，同时其自身体力仍不可忽视。由以上受力情况可见，顶板剪力主要由立柱提供，且顶板剪力分布与基坑坑底隆起量是相互影响的。

由图3可见，顶板变形在立柱处为出现向上方向的变形极值，而从基坑底板变形分布可见，在立柱存在隆起量明显减小，说明顶板变形受到基坑隆起影响极大，且对基坑隆起有一定的抑制作用。从中板及顶板弯矩图中来看，见图4，三个立柱处弯矩均为峰值，且向基坑内方向柱间减小。支护设计时可通过降低基地隆起来减少各层楼板变形。

根据基坑坑底估算的同济大学法对本案例进行计算。同济大学法是一种经验方法，主要用于软土，该方法适用于深度大于7 m且宽度较宽的基坑。由其使用条件可见，该方法主要计算纯粹的基地卸荷反弹，适用于本文案例。本文基坑案例由于坑底为强风化岩石，坑底隆起的主要因素为卸荷造成的反弹，而基地抗隆起验算所关注的Terzaghi和Prandtl破坏形式为坑底土过于软弱而造成的滑动破坏，不会发生。对于本例典型剖面进行的坑底抗隆起安全验算得到Prandtl(普朗德尔)Ks=9.104，Terzaghi(太沙基)Ks=11.525，远大于规范要求。

图3 底板未浇筑前顶板、坑底节点位移矢量示意图

图4 顶板弯矩分布图

基底隆起量的估算公式如下:

其中，δ为基底隆起量，cm;H为基坑开挖深度，m，H′=H+P/γ，P为地表超载，t/m2;D为墙体入土深度，m;c，φ，γ分别为土的粘聚力，kg/m2，内摩擦角，(°)，重度，t/m3。

计算结果为21.5 mm，与数值计算结果趋于一致，坑底隆起远小于软土地区。说明坑底硬层有效的减小了坑外土自重造成的滑动基地隆起。

由式(1)可见，相对于既定的土层地质条件和开挖深度，增加桩体墙体入土深度可有效的减少基地隆起。可尝试增加桩墙入土深度，减小桩柱间差异沉降。

4 结语

1)利用有限单元法，以二维模型分析计算逆作法深基坑围护墙和立柱差异是可行且有效的，计算结果与实际监测数据相吻合，体现了弹性结构框架与弹塑性土体之间的相互作用，是一种全面的分析方法。

2)由于青岛地区的基岩埋深在10 m～20 m左右，这就使得在逆作法施工中的围护墙以及立柱桩在施工中都是嵌岩的，在逆作法后续的施工中上述两个构件彼此之间的差异沉降很小，满足结构设计的要求，且基坑顶板中板变形与基坑坑底隆量是明显相互影响的。

3)青岛地区基地回弹主要控制因素为单纯的卸荷回弹，回弹量较小，由于坑底基岩分布，通过圆弧滑动或承载力方法估算基坑坑底抗隆起安全指标应趋于安全。

[1] JGJ 120－99，建筑基坑支护技术规范[S].

[2] 谢小松.大型深基坑逆作法施工关键技术研究及结构分析[D].上海:同济大学，2007.

[3] 钟建驰，冯兆祥，刘玉涛，等.嵌岩地下连续墙模型试验研究和参数测定[J].河海大学学报(自然科学版)，2004(9):52－55.

[4] 朱国华，刘玉涛，黄昌锦.某逆作法地下室柱墙差异沉降计算分析[J].施工技术，2009(9):92－94.

[5] 封金财.大型深基坑逆作法施工过程有限元模拟[J].国防交通工程与技术，2005(3):55－58.