深基坑混凝土支撑位置对灌注桩变形的影响研究

吴子瀛，周留坤，栾小旭，杨 阳

(中国建筑第八工程局有限公司文旅博览投资发展有限公司,江苏 南京 210000)

随着高层建筑的快速发展,为满足高层建筑的停车需求,深基坑工程越来越多地出现在住宅项目中,为确保住宅项目周边地下管线和交通干线的安全,必须严格要求基坑支护方案[1-2]。针对不同地质条件下的深基坑工程,不同支撑形式也随之应运而生。钻孔灌注桩因其施工工艺简单、质量易控制等优点在深基坑工程中得到广泛应用。在影响深基坑安全的众多因素中,灌注桩变形的监测是重中之重[3]。在影响灌注桩变形的众多因素中,混凝土支撑位置的选择又是重中之重[4]。因此,有必要通过研究不同的混凝土支撑的位置对灌注桩变形来评价深基坑的安全性。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

本工程位于南京市江宁区,场地内大部分为荒地,局部为拆迁地,地形稍有起伏。由岩土勘察报告可知,内地层可分为3大层,9小层,各岩土土体特征见表1。

表1 工程地质层分布与特征描述一览表

续表

土层物理参数见表2。

表2 各土层物理参数

本工程基坑支护形式为：基坑采用排桩φ800@1 200钻孔灌注桩+一道钢筋混凝土支撑的支护体系。本基坑长172.6 m,宽125.2 m,周长585.2 m,面积约为1.89万m2,基坑支护平面布置图见图1。

1.2 支护结构形式

现自然地面绝对标高为11.00 m,基坑开挖深度9.80 m,开挖至标高1.20 m处。

基坑开挖过程采用干成孔钻孔灌注桩加一道支撑支护体系,基坑采用桩径0.8 m排桩,桩间距1.2 m,设计桩长为16.5 m。内支撑系统采用钢筋混凝土构件,支撑中心标高为10.10 m。主支撑截面为0.7 m×0.8 m,采用C35混凝土浇筑。

1.3 开挖方式

本工程基坑开挖共分为三个阶段,第一阶段开挖至支撑地面标高并留有10 cm垫层位置,第二阶段开挖至加撑,第三阶段开挖至基坑底部。混凝土支撑示意见图2。

2 理论计算

2.1 参数确定

本文采用理正岩土结构设计分析软件对本工程进行受力分析,取地面标高为相对标高零点。荷载取20 kN·m,混凝土支撑位置距离桩顶距离分别为1.0 m,2.0 m,3.0 m,3.5 m和4.0 m。基于弹性法土压力模型和经典法土压力模型,对灌注桩在不同混凝土支撑位置的位移以及内力情况进行分析。

2.2 分析方法

深基坑土方开挖本质即减少基坑开挖面上的荷载,由于基坑底面上荷载减小,坑底土体受力平衡被打破,坑底土体被向上抬起,两侧土压力形成压力差,从而导致支护结构向基坑内侧产生位移。

本文采用弹性地基梁法[5],弹性法改进了常规的被动土压力计算。其计算原则是对支护结构的位移进行控制,使得内侧土压力不可能全部变为被动土压力,而实际上仍处于弹性抗力阶段。因此,将外侧主动土压力看作施加在支护结构上的水平荷载,用弹性地基梁法对其进行改进。支撑采用施加位移约束的条件,假设支撑是刚性的,只考虑支撑位置的影响。先开挖,后加设支撑,再继续开挖。在本方法中,已施加的支撑只对后续开挖起作用,即支撑位置作用之前已开挖的土体应力全部释放。基坑基床系数的选取对计算值的精确程度有影响[6]。弹性土压力模型如图3所示。

3 结果分析

本工程中,开挖深度为9.8 m为最不利情况。为了研究最不利条件下的灌注桩变形与内力情况,根据理正的计算结果分析,得到分别在两种土压力模型、不同混凝土支撑位置条件下的灌注桩位移随着深度的增加的变化曲线如图4所示。弯矩及剪力曲线如图5,图6所示。

为了研究不同混凝土支撑梁位置对灌注桩变形性能的影响,本文从不同支撑位置下的灌注桩桩身位移、桩身弯矩以及桩身剪力三个方面进行对比研究,并对不同支撑位置下的桩身最大位移、最大弯矩以及最大剪力进行对比研究(见图7—图9)。

从图4中可以看出,当混凝土支撑竖向间距从1 m增加至2 m,3 m,3.5 m和4 m,其桩身最大位移从5.4 mm下降至4.4 mm,3.6 mm,4.1 mm和3.6 mm,下降幅度分别为18.5%,33.3%,24.1%和33.3%。当支撑位置位于4 m时,桩身最大位移为各组中最小,为3.6 mm,桩顶位移为各组最大,为3.6 m,即桩身最大位移出现在桩顶位置。随着混凝土支撑的竖向间距逐渐增大,桩顶水平位移逐渐增大,桩身最大位移逐渐减小。因此,适当增加混凝土支撑竖向间距对基坑的稳定是有利的。刘润等[7]研究了支撑位置对基坑整体稳定性的影响研究,结果发现,支撑位置的调整对位移增长过程、位移量以及最大位移的位置有较明显的影响,对弯矩的增长、分布形态和数值有一定的影响,但影响幅度不大,对轴力影响较为显著。

从图5可以看出,当混凝土支撑竖向间距从1 m增加至2 m,3 m,3.5 m和4 m,其桩身最大负弯矩从135 kN·m,分别下降至126 kN·m,108 kN·m,99 kN·m和90 kN·m,分别降低了6.7%,20%,26.7%和33.3%;最大正弯矩从82.5 kN·m,分别下降至72 kN·m,66 kN·m,64 kN·m和60 kN·m,分别降低了12.7%,20%,22.4%和27.3%。各组桩身皆出现正负弯矩交替出现的情况,当混凝土支撑竖向间距为4 m时,桩身弯矩由正变负再到正。随着混凝土支撑竖向间距的增加,桩身的最大正负弯矩都呈现缩小的态势,且最大正负弯矩出现的位置也随着支撑位置的变化而变化。由此可见,支撑位置变化会影响桩身的弯矩分配,在本工程中,仅从弯矩大小角度分析,适当混凝土支撑的竖向间距对基坑的稳定是有利的。刘润等[7]研究了单支撑条件下,不同支撑位置对围护结构的影响,结果发现,随着支撑位置的下降,弯矩的峰值从原来在端部的负弯矩,变化到有正负弯矩两部分,即支撑位置附近的最大正弯矩不断增大,但基坑附近的最大负弯矩不断减小,适当降低支撑位置有利于提高基坑的稳定性。

从图6可以看出,当混凝土支撑竖向间距从1 m增加至2 m,3 m,3.5 m和4 m,其桩身最大剪力从72 kN,下降至66 kN,56 kN,53 kN和50 kN,分别降低了8.3%,22.2%,26.4%和30.6%。在支撑的作用下,桩身剪力发生突变,并出现3个正负剪力峰值。当支撑竖向间距从1 m增加至2 m,3 m,3.5 m和4 m,第一剪力峰值从9 kN上升至30 kN,35 kN,40 kN和43 kN,分别上升了233.3%,288.9%,344.4%和377.8%,第二个剪力峰值变化即最大剪力变化,随着支撑竖向间距的增加呈现下降趋势,第三个剪力峰值从32 kN下降至30 kN,21 kN,18.6 kN和16 kN,分别降低了6.3%,34.3%,41.9%和50%。谭志伟等[8]研究发现,降低支撑的位置能减小支护结构的变形和弯矩,但会使支撑轴力增大。

根据上述分析可知,灌注桩桩身的最大位移、最大弯矩以及最大剪力均随着混凝土支撑的竖向间距的增大而减小,同时,最大弯矩与最大剪力出现的位置也随着混凝土支撑位置的变化而变化。在本工程中,当支撑竖向间距为4 m对基坑的稳定最为有利。洪庆儒等研究了不同混凝土支撑位置对支护结构变形及内力的影响,结果发现,随着混凝土支撑位置的加深,桩身的最大剪力与弯矩也逐渐减小,并且发现,当仅有一道混凝土支撑时,存在一个合理位置,当竖向间距过大时,桩身的变形和受力接近于悬臂梁。

4 现场实测

根据上文分析,本工程采取混凝土竖向支撑间距为4 m,为了进一步验证竖向支撑间距为4 m时的灌注桩的变形情况,现场实测人员在灌注桩竖向布置多个监测点,在混凝土不同龄期记录下现场实测的水平位移,现场实测位移与模拟位移比较如图10所示。

从图10中可以看出,基坑开挖完成后,随着龄期的增长,桩体的变形逐渐趋于稳定,且随着龄期的增长,桩体位移逐渐增大。随着龄期的增长,土体的应力增长趋于稳定,且混凝土本身的弹性模量趋于稳定,最终桩身位移趋于稳定。实测监测数据随着开挖深度的增加,其桩身位移变化规律基本与理正计算值变化规律类似。

5 结论

以实际工程为例分析了深基坑环境下,不同的混凝土支撑竖向间距对灌注桩桩身的变形以及内力的影响规律,得到的结论如下：

1)随着混凝土支撑竖向间距的增大,桩顶水平位移增大,桩身最大位移减小,在本工程中桩身最大位移出现位置受竖向间距影响不大,适当增大支撑竖向间距有利于提高基坑稳定性。

2)随着混凝土支撑竖向间距的增大,桩身弯矩由负正变换变为正负正变换,桩身最大正负弯矩皆减小,在本工程中桩身正负最大弯矩出现位置受竖向间距影响不大,即适当增大支撑竖向间距有利于提高基坑稳定性。

3)随着混凝土支撑竖向间距的增大,桩身剪力出现三个峰值,第一个剪力峰值随着支撑竖向间距的增大而增大,第二个剪力峰值(最大剪力)随着支撑竖向间距的增大而减小,第三个剪力峰值在支撑间距为4 m时最小,即适当增大支撑竖向间距有利于提高即基坑稳定性。

4)本研究适用于开挖深度为10 m左右的粉质黏土基坑工程,若要使支撑竖向间距的选择满足经济、技术上的最优选择,需要后续进行更为细致的研究,并合理选择支撑的竖向间距。

综上所示,在一定范围内,适当增大混凝土支撑竖向间距有利于提升基坑稳定性。