基于Midas/GTS软件分析钻孔灌注桩施工对邻近建筑物的影响

基于Midas/GTS软件分析钻孔灌注桩施工对邻近建筑物的影响

梁永国侯涛

梁永国侯涛

广东省工程勘察院广东广州510510

摘要：新建某城际铁路车站出入口基坑开挖深度约11m，出入口基坑采用钻孔灌注桩+内支撑的支护型式，由于部分出入口与现有电缆沟和地下综合管廊距离较近，在钻孔灌注桩施工过程中可能对邻近构筑物产生扰动，影响既有构筑物的使用状况。本文通过Midas/GTS软件建立灌注桩施工计算模型，探讨灌注桩施工中邻近构筑物的力学行为。模拟结果表明，钻孔灌注桩施工对电缆沟结构的位移影响最大值为6.726mm，对地下管廊结构的位移影响最大值为5.211mm，均小于规范和现有研究结果的位移限值，因此，钻孔灌注桩施工能够保证既有管廊和电缆沟的安全。

关键词：Midas/GTS；钻孔灌注桩；基坑支护；侧向变形

BasedonMidas/GTSsoftwareanalyzedtheinfluenceofboredpileconstructiononthestructureofadjacentcabletrenchandcompositepipegallery

LIANGYONGGUO

（GuangdongengineeringsurveyinstituteGUANGDONGGUANGZHOU510510）

Abstract:Thedepthofthenewrailwaystationgatewayexcavationisabout11m.Thefoundationpitadoptstheformofboredpileandinnersupport.Becausetheentranceandexitareclosetotheexistingcabletrenchandundergroundintegratedpipegallery.Intheprocessofboredpilesconstructionmaycausedisturbanceinthenearbystructures.Affecttheuseofexistingstructures.Inthispaper,UsetheMidas/GTSsoftwareestablishingtheconstructioncalculationmodelofcast-in-placepile.Explorethemechanicalbehaviorofadjacentstructuresintheconstructionofcast-in-placepile.Thesimulationresultsshowthatthemaximumimpactofboredpileconstructiononthedisplacementofcabletunnelstructureis6.726mm.Themaximumimpactofboredpileconstructiononthedisplacementofundergroundpipetunnelstructureis5.211mm.Allofthemaresmallerthanthedisplacementlimitsofthespecificationandexistingresearchresults.Therefore,theconstructionofboredpilecanensurethesafetyofpipetunnelandcabletunnel.

Keywords:Midas/GTS;Boredpile;Foundationpitsupporting;Thelateraldeformation

引言

在城市化进程中，由于城市区域场地空间有限，在项目建设时尤其是基坑开挖及支护过程中不可避免地会对附近原有建筑物、地下管线及其他市政设施造成影响。

本文运用Midas/GTS软件分析基坑支护中钻孔灌注桩施工对邻近电缆沟与综合管廊结构的影响，通过分析电缆沟与管廊结构对出入口维护结构施工的力学响应，借助已有的控制标准对既有构筑物进行安全评价，掌握围护结构施工对既有构筑物的影响程度。

1.工程概况

1.1基坑概况

新建某城际铁路车站，场区位于海积平原区，地势平坦开阔，交通较便利。车站出入口基坑标准段开挖深度约11m，结构形式为单层矩形框架结构，采用明挖顺作法施工，设两道支撑。其中共设置7个风亭、主出入口12个，疏散出入口10个，其中1、3、4及7号出入口与现有电缆沟和管廊临近。出入口基坑采用钻孔灌注桩+内支撑的支护型式；钻孔灌注桩桩径800mm，间距1000mm。项目总体平面如图1所示。

图1车站总体平面图

1.2场地周边情况

车站有1#、3#、4#和7#四处出入口紧邻既有市政综合管廊结构和20kV电缆沟。其中1#出入口围护结构与既有管廊最小水平距离约为1.1m，离电缆沟最小水平距离为0.4m；3#出入口围护结构距管廊最小水平距离为3.4m，距离电缆沟最小水平距离为0.4m；4#出入口围护结构距离管廊最近水平距离约为1.1m，距离电缆沟最小水平距离为3.6m；7#出口围护结构距管廊最小水平距离为3.0m。新建车站的上述出入口离既有构筑物均很近，出入口围护结构的施作不可避免的对邻近构筑物产生扰动，影响既有构筑物的使用状况。

1.3地层岩性及特征

根据勘探资料，本项目的岩土层发育情况如表1所示。项目场地范围内广泛分布软弱土层，其中淤泥平均层厚达到8.52m，埋深2.5～41.75m，平均埋深16.9m。地基中软弱土层的存在易引起局部土层与围护结构产生较大的位移，加剧了既有构筑物对邻近出入口围护结构施工影响的敏感性，放大了既有结构的受力变形。

表1项目岩土层发育情况表

2.灌注桩施工三维数值模型

2.1分析内容和软件

根据车站出入口设计施工图，借助三维有限元方法，利用岩土工程大型软件Midas/GTS建立1#、3#、4#及7#出入口灌注桩施工过程较为精细的计算模型，探讨出入口灌注桩施工中邻近构筑物的力学行为。

2.2计算范围及边界条件

模型计算区域的选取充分考虑了出入口围护结构施工和开挖引起的边界效应，结合实际工程经验，水平向计算区域取灌注桩直径的10倍以上，竖直向取2~4倍以上出入口基坑开挖深度为原则，计算模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不加约束。

2.3模型参数的确定

土层的物理力学参数如下表2所示，支护结构参数如表3所示。钢护筒嵌入土层深度约为1.5~2m，地面以上长0.5m，灌注桩护壁泥浆重度取11.5kN/m3。

表2土层物理力学参数

2.4三维模型的建立

据软件自身特点，结合运算的可行性和精度要求，把圆形截面灌注桩通过刚度等效成方桩。考虑到围护桩竖向位移会给基坑稳定、地表沉降及桩体自身的稳定性均带来很大的影响，因此在刚度等效时不仅要等效侧向抗弯刚度，还要等效竖向抗拉、压刚度。

模型中土层、灌注桩、旋喷桩、既有电缆沟结构采用三维实体单元，既有综合管廊主体结构、出入口通道钢板桩采用壳单元模拟。模型中灌注桩、旋喷桩和既有电缆沟结构通过修改边界条件来赋予相应的属性。模型中土体采用理想弹塑性本构模型，遵循Mohr-Coulomb屈服准则，而相关结构则采用弹性模型。重点介绍1#和7#出入口模型，因为3#和4#建模方法、建模思路与1#出入口一致，1#和7#总体计算模型如图2~图3所示，1#出入口总体计算模型含279476个单元和215300个节点，7#出入口计算模型有54732个单元和50907个节点。

灌注桩置于层状土层中，在桩体与桩侧土体之间，由于其刚度不同，在外荷载作用下，往往在其接触面处形成较大的相对位移。本分析计算模型通过加接触单元来模拟桩土之间的相对滑移与错动。接触单元采用Goodman单元，其三维空间的面接触单元在确定外荷载作用下满足式(1)关系，单元的参数：法向刚度、切向刚度及转动刚度；N、Q、M表示轴力、剪力及弯矩；为切向位移，为剪切应变，为相对转角。

界面接触单元黏聚力c1=(1/3~1/2)c，摩擦角满足tanφ1=(1/3~2/3)tanφ，其中c、φ为土体的黏聚力和摩擦角。

图21#出入口整体计算模型图37#出入口整体计算模型

2.5计算工况

本次分析重点探讨灌注桩施工过程产生的环境力学效应，即新建车站出入口围护桩施工对邻近既有构筑物的影响。施工步骤需充分体现既有结构和灌注桩的形成历程，为此设置6个计算工况，即6个施工步，具体如表4所示。

表4计算工况汇总

3.三维数值计算结果与分析

3.1灌注桩施作总体位移结果分析

灌注桩施作总体位移计算结果见表5。

表5桩体与既有构筑物总体位移结果汇总

由表5可见，总体位移各个方向的最大值均出现在围护桩上，且均远小于基坑规范的位移限值，处于整体稳定。

3.2出入口灌注桩施工对地下管廊的影响分析

管廊结构结构力学响应计算结果汇总如表6所示。

表6管廊结构受力变形结果汇总

根据表6可知，不同出口对管廊结构的位移影响均不明显，最大位移为3#出入口对应的管廊结构竖向位移5.211mm。因管廊结构整体空间刚度较大，灌注桩的施工并未使结构产生明显的变形，所以对其内力几乎没有影响，应力在3#出口增量最大为4%，对于整体应力水平也影响细微。对比现有规范和研究成果，可判断管廊结构能够满足位移限值和受力要求，结构总体均处于安全状态。

3.3出入口灌注桩施工对电缆沟的影响分析

电缆沟结构力学响应计算结果汇总如下表7所示。

表7电缆沟结构受力变形结果汇总

从计算结果看，电缆沟受灌注桩施工影响较管廊结构大，因其空间刚度较管廊结构显著更小，所以同等外部扰动下产生的附加变形和应力明显更大。电缆沟结构位移最大值为6.726mm，依然小于规范和现有研究结果的位移限值；虽然应力增加的比较明显，最大增加了980kPa，但依然未改变结构状态，最大应力小于C20混凝土抗拉强度设计值1.1MPa，结构未开裂，处于安全状况。

4.结论

此次分析借助大型有限元软件Midas/GTS建立车站1#、3#、4#及7#出入口围护结构施工三维计算模型，对灌注桩施工引起的桩体及既有结构受力变形特性进行了分析与评估，主要结论如下：

（1）尽管采用了钢护筒和泥浆护壁，灌注桩施工依然产生了可观的位移。水平向由于钻孔开挖，应力释放，孔壁向临空面移动出现指向桩孔的位移，且在淤泥层中侧移最为显著，侧移最大值为7.297mm；竖向位移出现在灌注桩顶部，最大值为8.431mm，主要由灌注桩自重和坑壁侧移引起的竖向位移。上述围护结构位移均小于基坑工程监测规范位移控制值。

（2）不同出口灌注桩施工对管廊结构的位移影响均不明显，最大位移为3#出入口对应的管廊结构竖向位移5.211mm。因管廊结构整体空间刚度较大，灌注桩的施工并未使结构产生明显的变形，所以对其内力几乎没有影响，应力在3#出口增量最大为4%，对于整体应力水平也影响细微。对比现有规范，可判断管廊结构能够满足受力变形要求，结构总体均处于安全状态。

（3）既有电缆沟受灌注桩施工影响较管廊结构大，因其空间刚度较管廊结构显著更小，故同等外部扰动下产生的附加变形和应力明显更大。电缆沟结构位移最大值为6.726mm，小于规范和现有研究结果的位移限值；虽然应力增加的比较明显，最大增加了980kPa，但依然未改变结构状态，小于C20混凝土抗拉强度设计值1.1MPa，结构未开裂，处于安全状况。

综上所述，车站出入口基坑围护结构设计施工方案能有效保证灌注桩自身的安全稳定，也能够保证既有管廊和电缆沟的安全。

参考文献：

1.朱建才,许明来,朱剑锋等.钻孔桩施工对既有桥桥墩安全性影响试验研究[J].工程勘察.2012.3:27-32.

2.张云军,宰金眠,王旭东等.隧道开挖对邻近桩基影响的二维数值分析[J].地下空间与工程学报.2005.1(6):832-836.

3.王涛.盾构隧道施工的环境效应影响研究[D].杭州:浙江大学硕士学位论文.2007.

4.宋辰辰.基于MIDAS/GTS对某深基坑开挖变形的数值模拟研究[J].黑龙江工业学院学报.2019.19(4):60-65.

5.杨有海,武进广.杭州地铁秋涛路车站深基坑支护结构性状分析[J].岩石力学与工程学报.2008(S2).

6.赵海燕,黄金枝.深基坑支护结构变形的三维有限元分析与模拟[J].上海交通大学学报.2001(04).

[作者简介]梁永国，男，汉族，广州市，高级工程师