塔吊布置对于深基坑安全影响分析

尚琳 柳晓科 鹿群 都晓宁

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 天津300381； 2.天津城建大学 300384 )

引言

基坑支护设计须满足自身施工安全和周边环境安全, 因此, 围护结构的强度、 变形及基坑周边地面、 建(构)筑物的沉降等均必须同时满足相关要求。 龚晓南等[1]经过理论计算发现在一定范围内作用在地面的超载会影响到地下管道的内力和变形。 戴宏伟[2]等基于文克尔地基梁模型, 利用有限差分法建立了新施工荷载下地铁隧道的纵向变形计算理论, 研究了新施工荷载对临近地铁隧道的影响, 结合实例进行分析预测, 得出安全施工的控制距离。 蔡忠祥等[3]同样基于文克尔地基梁模型, 采用矩阵传递法, 提出地面荷载作用下地埋管线受力变形的简化理论分析方法。 以上研究都是基于理论和假设研究地面附加荷载对地下管线、 隧道的内力变形影响, 得到的结论对实际工程起到了指导性作用。

岳地东等[4]通过分析南京地铁3 号线新庄站的工程地质条件, 结合现场周边环境条件, 采用灌注桩+深层搅拌桩的结合形式。 彭社琴等[5]对不同土压力分布模式下支护结构内力进行分析得出直线递增(三角形)荷载作用下, 整个墙身上部弯矩较小, 下部则较大； 波状递增土压力形式作用下, 整个墙体挠曲多变, 并且在中上部就有较突出的弯矩作用； 附加荷载土压力模式作用下,墙身上部弯矩异常突出。 上述研究结合实际工程, 分别对基坑围护结构形式及计算模式进行分析, 其结果对基坑设计有指导意义。

本文以实际工程问题为背景, 通过理正深基坑及PLAXIS3D 有限元数值模拟研究基坑边近距离布置塔吊后基坑及塔吊运行的安全性。 按照施工顺序, 先建立了基坑及其围护结构的模型, 而后施加地面塔吊荷载进行土体开挖, 以此模拟塔吊基座的作用对基坑开挖的影响。

1 工程概况

某污水处理厂位于河流冲洪积扇顶部, 臭氧接触池为地埋式钢筋混凝土现浇矩形水池, 平面尺寸19.5 ×11.5m2, 净高6.0m, 埋深6.5m, 有效水深 4.0m, 接触时间 30min, 设计流量1240m3/h。 接触池南侧8m 处为拟建综合楼, 为加快工程施工进度, 同期施工, 提高施工效率,拟在接触池与拟建综合楼中间安装装配式塔吊。

2 工程地质条件

厂区场地地基土自上而下依次为填土、 砂土、 软粘土、 砂土, 其地面以下的深度分别为:1m、 9.5m、11m、 20m, 地下潜水埋深4m, 地质剖面如图1 所示。

土体本构模型采用土体硬化模型, 即HS 模型, 具体物理力学指标如表1 所示, 其中γunsat表示土体的非饱和重度,γsat表示土体的饱和重度,分别为土的主偏量加载刚度模量、侧限压缩刚度模量和卸载/再加载刚度模量[6],m为桩侧土水平抗力系数的比例系数,c和φ分别为土体的粘聚力和内摩擦角,ψ为剪胀角,ν为泊松比。

图1 地质剖面图Fig.1 Geological section

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physico-mechanical parameters of soil

3 基坑支护设计及三维有限元模型参数

3.1 基坑支护设计参数

基坑平面尺寸20m×12m, 由于坑底位于地下水位以下2.5m, 基坑围护结构需要做止水处理, 处理方式为采用直径500mm 间距300mm水泥土搅拌桩止水帷幕与支护桩等深布置, 搅拌桩地面以下4m 空搅(水泥掺量为0), 其他参数如表2 所示。 基坑南北侧采用“排桩+止水帷幕+内支撑”, 东西侧采用“排桩+止水帷幕+锚索”的联合支护形式, 基坑平面布置如图2 所示(图上括号内数字为坐标, 单位: m)。

围护结构采用直径600mm 中心间距800mm 灌注桩, 桩长12m, 桩顶标高与地面平齐, 嵌固深度5.5m。 基坑长边水平支撑采用直径609mm 壁厚12mm 钢管, 短边采用“预应力钢绞线+ 注浆”锚索与水平方向成45°入射角布置, 锚索长28m(其中锚固段18m, 不考虑自由段承载力), 锚固段结合体直径0.28m, 锚索锚固段埋深1m, 基坑支护纵向剖面如图3 所示。

表2 基坑设计参数Tab.2 Parameters of foundation ditch design

图2 基坑结构及施工平面布置Fig.2 Arrangement diagram of foundation pit structure and construction plan

图3 基坑模型纵向剖面Fig.3 Longitudinal profile of foundation model ditch

腰梁采用HM350 ×250 双拼H 型钢通长布置在地面以下1m 处, 其主要作用是分散水平支撑及锚索张拉端产生的集中荷载, 横向剖面如图4所示。

图4 基坑模型横向剖面Fig.4 Transverse sectional view of foundation model ditch

3.2 塔吊荷载的选取

为方便施工, 布置灵活, 拆卸方便, 尽量减小对基坑周边环境的影响, 本工程选用装配式塔吊, 形式如图5 所示。

装配式塔吊基座尺寸为3.5m ×3.5m, 为分散压力, 减小集中荷载作用, 基座底部采用7m×7m 压力分散板。 基座主要承受自重荷载、 考虑动力系数的起重荷载, 由于满载/空载频率很小, 因此在模拟加载时可简化为静力加载。 计算发现空载时基底压应力组合值不大于10kPa, 满载时基底荷载压应力组合值不大于16.5kPa, 考虑动力系数1.2 后不大于20kPa。

图5 装配式塔吊基座Fig.5 The foundation of assembly tower crane

3.3 PLAXIS 3D 有限元模型参数

由于装配式塔吊基座通过压力分散板直接坐落在地面上, 因此在采用PLAXIS 3D 软件模拟塔吊基座对基坑的作用时, 采取在基坑边土体表面施加面荷载的方法模拟, 在模型X方向距离基坑边缘1m 处施加7m ×7m 大小为20kN/m2的竖向面荷载, 用来模拟塔吊基座荷载。

在PLAXIS 3D 软件中, 锚索采用 “点对点锚杆”及“Embedded 桩”模拟, 其中“Embedded 桩”用来模拟锚索锚固段, 使用时直接“激活”即可。排桩采用换算成等刚度的0.4m 厚钢筋混凝土“桩板墙”模拟。 腰梁及内支撑采用等刚度“梁”单元模拟。

塔吊基座荷载采用可考虑土体“蠕变”的“固结”分析计算模式模拟, 该模式可计算当土体所承受的荷载维持不变而其应变随着时间增加所产生的蠕变。

模拟基坑施工具体流程为: ①建立具有土体属性的三维有限元模型； ②建立板桩墙、 内支撑、 腰梁、 锚索、 塔吊面荷载等元素； ③划分网格； ④激活板桩墙并运行计算； ⑤激活塔吊荷载并运行计算； ⑥开挖至 - 1.5m 并运行计算；⑦激活腰梁、 内支撑、 锚索并运行计算； ⑧降水并开挖至-6.5m, 运行计算； ⑨根据基坑内力、变形情况复核设计的合理性； ⑩根据计算结果分析塔吊运行时塔吊及基坑的安全性, 得出相关结论。

3.4 PLAXIS 3D 模型网格划分

网格的粗细程度、 模型的大小及边界条件的约束形式是影响计算结果的重要因素。 不合理的网格会导致计算误差太大、 计算结果不收敛等不良后果。 因此, 在网格划分过程中, 必须考虑网格的粗细程度与网格数量、 模型大小之间的协调性, 以取得合理的计算结果。

由于本文重点关注开挖基坑周围土体变形情况, 故对基坑周围土体部分的网格划分较为稠密, 而对基坑围护结构部分的网格划分较为稀疏。 粗细网格之间的协调搭配一定程度上减小了计算误差, 有利于增加计算结果的可信度。 基坑模型网格划分情况如图6 所示。

4 基坑计算结果及塔吊安全分析

图6 模型网格剖面Fig.6 Meshes of model

基坑围护结构设计计算采用理正深基坑软件, 计算结果如表3 所示, 围护结构的强度、 刚度、 稳定性及基坑整体稳定性、 抗倾覆、 抗隆起等指标均满足《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)[7]的要求。

表3 基坑设计参数Tab.3 Parameters of foundation ditch design

采用PLAXIS 3D 有限元软件对该基坑展开精细化复合分析计算, 通过分析基坑周边土体应力及变形情况判断基坑周边布置塔吊的可行性及塔吊运行的安全性, 总位移变形云图如图7 所示,总沉降量由基坑周边到四周呈减小趋势,X方向基坑两边变形对称,Y方向由于塔吊基座的影响, 出现明显不对称现象。

图7 基坑总位移变形(单位: mm)Fig.7 Deformation contour of the foundation ditch(unit: mm)

4.1 基坑Y 方向土体沉降特点

为了定量分析基坑周围土体变形情况, 以X轴为法线过模型面荷载形心X=40m 处做纵向剖面分析土体沉降变形, 如图8 所示。 对比基坑两侧沉降发现, 塔吊存在一侧基坑周边土体最大沉降量(10.8mm) 明显大于另一侧最大沉降量(4.5mm), 沉降曲线整体呈“√”形, 越靠近基坑边缘沉降越大, 越远离基坑边缘沉降越小, 模型边界处沉降趋近于0。 而在模型水平位置(Y方向0～10m 范围及40m ～50m 范围), 沉降变形相对较小, 即距离基坑边缘大约2 倍开挖深度以外, 地表土体沉降变形很小, 变形曲线呈“漏斗”形。

另一方面, 由于单侧塔吊荷载的存在, 使得基坑左侧(模型水平位置Y方向10m ～20m 范围内)土体沉降量整体较大, 而与其相对的右侧(模型水平位置Y方向32m ～40m 范围内)土体沉降量相对较小, 表明地表附加荷载使基坑周围土体沉降变形增加, 导致基坑两侧变形不对称, 符合实际工程情况。 计算结果表明基坑周边塔吊基座下土体最大竖向沉降量为11mm, 小于20mm, 满足《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120 -2012)、《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497 -2009)要求, 正常使用极限状态下塔吊基础不均匀沉降量为7mm, 倾斜量为0.1%, 满足《建筑地基基础设计规范》(GB50007 -2011)及装配式塔吊安装/使用要求。

4.2 基坑X 方向土体沉降特点

以Y轴为法线,Y=25m 处做纵向剖面, 如图9 所示, 水平地面处基坑周围土体沉降变形对称, 最大沉降量出现在靠近基坑边缘10m 范围内, 其变形符合实际情况。

图9 基坑纵剖面土体沉降Fig.9 Deformation of the foundation ditch

由计算结果分析可知在板桩墙、 内支撑及锚索等围护结构存在的情况下, 运行塔吊荷载作用下的砂性土中基坑开挖所引起的周围土体变形情况符合实际开挖情况, 土体总位移从基坑边缘处到四周逐渐减小, 与无限远处地面沉降为零的趋势相吻合。

4.3 深度方向基坑周边土体水平侧移特点

基坑周围土体水平侧移量能直接反映围护结构的刚度, 是保护周边环境必须参考的重要参数, 因此对水平侧移量的控制有着重要意义。 图10、 图11 分别为基坑短边、 长边中部围护结构侧移量数据及模拟结果, 整体上由于土方开挖基坑内卸载导致周围土体有向坑内移动的趋势。

图10 坑短边中部水平位移Fig.10 Deformation of the foundation ditch

图11 基坑长边中部水平位移Fig.11 Horizontal displacement of the foundation ditch

由图10 可知, 沿深度Z方向, 两侧土体向基坑内侧的水平侧移对称, 在基坑顶面及底面由于锚索、 基底被动土压力及桩的嵌固作用使得侧移量相对较小, 而在基坑中部由于侧向刚度较低而出现相对较大的侧移量, 符合实际情况。

由图11 可知, 除符合上述特点外, 在塔吊荷载存在一侧, 基坑边水平侧移明显大于另一侧, 这是由于塔吊基座的竖向荷载, 使得该侧土体竖向应力增大, 相应地水平侧压力增大, 水平侧移也随之增大。 计算结果表明塔吊存在一侧基坑围护结构最大侧移量为10mm, 小于30mm, 满足《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497 -2009)要求。

5 结语

本案例中, 塔吊一侧基坑周边土体沉降变形相对较大, 计算结果符合实际情况, 最大沉降量满足《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497 -2009)要求。 塔吊基础不均匀沉降量约7mm, 倾斜量为0.1%, 不均匀沉降及倾斜满足规范及装配式塔吊安装/使用要求。 塔吊一侧基坑围护结构水平侧移较大, 计算结果符合实际情况, 最大侧移量满足规范要求。 因此, 在条件允许且计算满足相关规范的情况下, 在基坑边布置装配式小型塔吊是安全可行的。