多排水泥土插芯围护墙结构变形分析及应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 多排水泥土插芯围护墙结构变形分 析及应用 摘要：本文针对具体的工程实例， 分别采用复合土钉墙基坑支护技术规 范算法和有限元法计算多排水泥土插 芯作为围护墙结构的基坑开挖变形、周 边沉降和整体稳定性分析，并与实测值 进行了对比，分析产生误差的原因。研 究了插芯对整体稳定性的影响，验证了 在计算整体稳定性时规范中对水泥土插 芯不予考虑的合理性，明确了通过水泥 土中插芯来提高整体稳定性是不可行的。 中国论文网 /7/view-13044598.htm Abstract： In this paper， according to specific engineering -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 examples， the algorithm 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 result 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 clarified that it was not feasible to improve the overall stability by inserting the core in cement and soil. 关键词：水泥土插芯；基坑变形； 整体稳定性 Key words： cement soil -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 core；foundation pit deformation；overall stability 中图分类号：TU433 文献标识 码：A 文章编号：1006-4311（2018） 18-0107-03 0 引言 随着城市化进程的发展，城市建 设用地越来越紧张，城市地下工程的建 设难度不断增加，基坑支护难度不断加 大。场地狭小，且周边存在有重要的建 构筑物，不具备大型机械施工空间的基 坑工程不断出现1。水泥土桩插芯支护 结构因其所需操作空间小，穿越地下障 碍能力强、经济效益好等特点2-5，在 深基坑工程中得到广泛的应用6-8。 复合土钉墙基坑支护技术规范 （GB 50739-2011）将多排水泥土插芯 桩按微型桩考虑，不考虑抗弯刚度9。 在计算水泥土插芯桩产生的抗滑力矩时 进行折减，规范推荐的折减系数 为 0.10.3，且微型桩桩体材料抗剪强度 较高、截面积较大时折减系数越小，具 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 有较大的安全储备。在施工周期短、开 挖深度小的项目中，如按规范推荐的折 减系数进行计算分析，则水泥土插芯围 护墙支护形式的有利作用将得不到充分 发挥，在一定程度上限制其在工程中的 应用。 本文旨在既有完工项目基础上， 采用复合土钉墙基坑支护技术规范 中的算法进行受力分析，并与有限元分 析结果及实测值进行对比分析。 1 工程概况 1.1 项目概况 昆明市某基坑工程平面现状为矩 形，长 26.3m，宽 15.0m，整体设两层 地下室，负一层地下室层高 3.3m，负二 层地下室层高 4.8m，基坑开挖深度为 8.9m。开挖周长 87.4m，开挖面积 445.5m2。本项目北侧及东侧为混 6混 8 的“L”型医技楼，医技楼距离基坑开挖 线 1.972.33m；南侧为住院楼，距离 基坑边 13.7m；西侧为砖 2 配电室，距 基坑 1.031.39m，属重点保护对象， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 且不可改迁。 1.2 工程地质和水文条件 本项目场地处滇池东侧，属高原 河湖复合相堆积地貌；地层自上而下依 次为第四第人工活动层（Q4ml） 、第四 系冲洪积（Qal+pl ） 、湖积（ Q4al+l） ， 基坑开挖范围内主要土层如下： 杂填土及1 层素填土（老填 土） ，结构松散，层厚不均，最大厚度 达 5.60m，成份不均，软硬不均，层 土结构松散，固结较差。 粉质粘土，可塑硬塑状态， 中压缩性；物理力力学性质相对较好， 地基承载力特征值为 150kPa。1 粘土， 软塑状态，高压缩性，物理力学性质较 差，地基承载力特征值为 80kPa。 圆砾，稍密，局部地段为中密， 物理力学性质好，层位稳定，承载力特 征值为 250kPa。1 粉土，稍密状态， 2 层为稍密中密的砾砂，物理力学 性质相对较好，中压缩性，该两层以透 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 境体存在于层圆砾中，承载力特征值 均大于 140kPa。 圆砾，中密，物理力学性质好， 承载力特征值为 280 kPa；强度高，厚 度较大，分布稳定，埋深均在现地表 12m 以下，平均厚度均大于 10m。1 层为稍密中密状态的粉砂，物理力学 性质较好，承载力特征值为 160kPa。2 层稍密中密状态的粉土， 物理力学性质一般，承载力特征值为 140kPa。 粉质粘土，可塑硬塑状态， 中压缩性，物理力学性质稍好。1 层 为中密状的粉土，中压缩性，物理力学 性质较好，以透境体存在于层中。该 两层地基承载力特征值均大于 165kPa。 场地稳定静止水位在现地表下 1.20 左右， 地下水类型主要为孔隙潜水及上层滞水。 上层滞水赋存于表层结构松散的填土层 中，水量较小；孔隙型潜水的主要含水 层为粉土、粉砂、砾砂及圆砾层，具承 压性，补给源为大气降雨及地表泾流补 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 给和控制，与西侧玉带河存在水力联系。 2 支护设计 根据本项目对基坑支护的安全性 要求高、控制变形要求严、周边环境复 杂、大型机械施工受限等特点。基坑支 护结构采用高压旋喷桩内插双排 894.0 钢管微型桩，外加竖向七排预 应力锚杆形成“ 土钉墙+微型桩+ 预应力 锚杆+截水帷幕” 的复合支护形式，高压 旋喷桩兼具止水功能。 高压旋喷桩直径为 500mm，水 平间距为 300mm，平面上设置双排， 排距 400mm；插芯为 894.0 钢管， 设置双排，排距 400mm；微型桩桩顶 设置 1000600mm 钢筋混凝土冠梁，冠 梁混凝土强度等级为 C30；预应力锚杆 水平间距 1.2m；杆体材料为 483.0 钢管内插 22HRB500 螺纹钢筋，注浆 材料为水泥净浆，水灰比为 0.50.6， 采用二次高压注浆工艺。锚杆标高设置 腰梁，腰梁采用两根 16b 槽拼装而成， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 槽钢下设置钢筋混凝土暗梁，暗梁混凝 土等级为 C30。支护结构平面布置如图 1 所示，典型支护剖面如图 2 所示。 3 分析计算 3.1 计算模型简化及参数选取 选取图 2 所示典型设计剖面进行 计算分析，规范算法简化为：周边建 筑物按 15kPa/层等效为超载参与计算； 插芯的作用按等强度代换为水泥土； 采用等面积原则将单位长度水泥土桩 截面积换算为水泥墙。有限元计算简化 为：水泥土采用实体单元；插芯钢 管采用梁单元；水泥土和土体采用修 正摩尔库伦模型；周边建筑按平面问 题进行简化。 为便于与规范计算值进行比较， 有限元模型不考虑土层在平面上的变化， 按水平分层考虑。有限元模型详见图 3。 按实际施工设置分析工况，土方 分层开挖，锚杆分层施工。每个土方开 挖工况设置 500mm 超挖深度，即开挖 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 到锚杆设计标高下 500mm 后施工锚杆， 最后一层锚杆开挖到坑底后施工，共计 定义 15 个工况。开挖至某一深度后的 工况较该深度下锚杆施工工况更加危险， 例如工况 3 为开挖至第二层锚索施工标 高（该工况锚杆未施工） ，工况 4 为第 二层锚杆施工，工况 3 较工况 4 更不利， 故在后续分析中仅针对不利工况（开挖 工况）进行计算分析。计算分析所采用 参数如表 1 和表 2 所示。 3.2 变形结果及分析 图 4 为采用规范算法计算得到各 不利工况下水泥土水平位移曲线，图 5 为采用有限元计算得到各不利工况下水 泥土水平位移曲线，图 6 为开挖至坑底 工况下的水平变形云图。根据施工过程 中监测结果，基坑开挖至坑底后冠梁顶 部位移为 4.35mm，最大位移发生在坑 底上 2.31m 位置，变形值为 10.58mm， 最大沉降 6.19mm。 对比实测值和计算结果，可以看 出，采用水泥土插芯做为围护结构在本 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 项目中是可行的。规范算法计算得到最 大变形值为 16.12mm，最大变形值点位 于坑底 2.4m，坑外最大沉降为 13mm； 有限元计算得到最大变形值为 11.81mm，最大变形值发生位置为坑底 上 1.4m，坑外最大沉降 4.45mm。 计算值与实测值之间的误差统计 详见表 3。 通过对比计算值与实测值，可以 发现有限元计算值与实测值比较接近， 误差为 11.63%；规范算法由于不考虑 水泥土的有利作用，计算所得变形与实 测之间的误差为 52.36%，证明在一定 开挖深度的情况下，水泥土插芯围护墙 结构中水泥土的作用较大，但水泥土的 有利作用的定量分析仍待后续进行。同 时也证明了在具体项目的实例背景下采 用水泥土插芯作为基坑开挖的竖向围护 结构是可行的。此外，在有限元计算过 程中未考虑足够的安全系数，将有限元 结果运用于实际工程中需高度关注，认 真分析计算结果，确保将有限元分析结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 果应用于实际工程时同时满足规范要求。 3.3 插芯对整体稳定性系数的影 响 采用规范算法计算本项目的整体 稳定性系数，在考虑 894.0 钢管插芯 作用下，整体稳定安全系数 1.604，不 考虑插芯作用下的整体稳定安全系数为 1.600，两者比较接近，插芯对本项目整 体稳定安全系数的提高不是特别明显， 这进一步验证了复合土钉墙基坑支护 技术规范在计算整体稳定安全系数时 不考虑插芯的合理性，也说明本项目如 通过增加插芯来解决整体稳定性问题是 不可行的。 4 结论 通过对具体项目采用规范算法和 有限元进行分析，论证了多排水泥土插 芯围护墙结构在基坑开挖施工中的适用 性。通过计算值与实测值的对比分析， 得出以下几点结论：证明了复合土 钉墙基坑支护技术规范整体稳定性计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 算中不考虑插芯作用的合理性，同时也 证明了通过增加插芯来解决整体稳定问 题是不可行的。在具有真实可靠的土 工数据的基础上进行有限元模拟仿真分 析其结果与实测比较接近，可做