劉曉鳳,楊冬末,何 丹

(1.合肥城市學(xué)院 土木工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.安徽天潤(rùn)建筑工程集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230601)

地下車行系統(tǒng)具有異形段多、系統(tǒng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大等特點(diǎn),汽車在地下車行系統(tǒng)中的異形段行駛時(shí),容易因空間不足發(fā)生堵塞或剮蹭事故。建設(shè)單位為了最大化地利用空間,要求設(shè)計(jì)者在保證安全的前提下減少承重結(jié)構(gòu)的布設(shè)。如何在少設(shè)置承重結(jié)構(gòu)情況下保證地下車行系統(tǒng)異形段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成為了新的難點(diǎn)[1-4]。

針對(duì)地下車庫的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,國(guó)內(nèi)學(xué)者已開展了大量研究。安辰亮等[5]以某鐵路車站異形深大基坑工程為依托,開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),揭示了鐵路車站異形深大基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和受力的變化規(guī)律,并提出了經(jīng)濟(jì)有效的控制措施。吳瀚[6]以武漢市青山區(qū)工人村地下車庫為工程試驗(yàn)背景,通過數(shù)值模擬方法研究了預(yù)制構(gòu)件尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響,分析了施工過程中的縱向拼接預(yù)制構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)及接頭接縫界面的力學(xué)特性的影響。劉陽[7]以惠民支路全智能地下立體車庫工程中豎井和橫通道轉(zhuǎn)入車庫主體施工為背景,通過對(duì)施工過程地下立體車庫關(guān)鍵交叉節(jié)點(diǎn)部位結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行研究,提出了交叉節(jié)點(diǎn)部位的支護(hù)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。戴成元等[8]以沈陽丁香水岸二期的地下車庫作為研究對(duì)象,采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬,分析了地下結(jié)構(gòu)的上浮變形機(jī)理,運(yùn)用FLAC 3D軟件分析抗浮樁樁長(zhǎng)、樁徑及樁距對(duì)抗浮樁承載力的影響。顏敬等[9]以武漢市濱江核心區(qū)地下空間環(huán)路工程為例,重點(diǎn)介紹了項(xiàng)目在交通、建筑、基坑、防水、管理等設(shè)計(jì)施工方面的創(chuàng)新點(diǎn)與相關(guān)技術(shù),并討論了相關(guān)技術(shù)問題,促進(jìn)了地下結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展。張創(chuàng)[10]以井筒式地下車庫為切入點(diǎn),通過數(shù)值計(jì)算對(duì)車庫基坑進(jìn)行開挖的數(shù)值模擬,分析基坑在開挖過程中排樁、冠梁和圈梁的內(nèi)力和變形特性,給出了井筒式地下車庫主體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

這些研究促進(jìn)了地下車行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制理論與技術(shù)的發(fā)展,但是關(guān)于地下車行系統(tǒng)連接段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究相對(duì)較少。本文以江西某市政配套工程項(xiàng)目為工程背景,通過開展數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析,對(duì)地下車行系統(tǒng)的連接段進(jìn)行變形分析,得到不同加固方向下的變形規(guī)律,旨在給類似工程的地下車行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

1 工程概況

案例工程項(xiàng)目的內(nèi)容包括市政地面道路工程、地下車行系統(tǒng)和建筑二層連廊系統(tǒng)。地下車行系統(tǒng)包括6條新建地下車行道路,分別為:(D1K0+000)～(D1K0+307)、(D2K0+000)～(D2K0+503.741)、(D3K0+000)～(D3K0+556.505)、(D4K0+000)～(D4K0+314.866)、(D5K0+000)～(D5K0+302)、(D6K0+000)～(D6K0+157.341),總長(zhǎng)2 141.453 m,主線由環(huán)路暗埋段、敞開段、出入口暗埋段組成。

本研究中的異形段為Y4-2,形狀為T型,橫向水平路段D4起止樁號(hào)為:(D4K0+000)～(D4K0+314.866),跨度大,且在T字交口處,設(shè)計(jì)采用1個(gè)直徑為4 m的混凝土柱作為支撐。由于項(xiàng)目周邊部分地塊房建工程已在建設(shè),部分場(chǎng)地已整平,基坑開挖深度為0～8.7 m,部分段落現(xiàn)狀地面標(biāo)高低于結(jié)構(gòu)底標(biāo)高,需逐層回填土層后實(shí)施結(jié)構(gòu)工程。

2 工程地質(zhì)情況

據(jù)鉆探揭露,勘探深度內(nèi)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)由人工填土(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)、第三系新余群泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖組成,主要地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 主要地層物理力學(xué)參數(shù)

按巖性及工程特性,工程地質(zhì)自上而下依次如下。

①雜填土:雜色,稍濕,結(jié)構(gòu)松散,成份以砼塊、磚塊、粉質(zhì)粘土組成,為欠固結(jié)土,全場(chǎng)地4個(gè)鉆孔揭露,層厚為0.50～1.00 m。

②粉質(zhì)粘土:黃褐色,可塑,成份以粉粒、粘粒為主,干強(qiáng)度中等,壓縮性中等,層厚為0.50～6.30 m,平均厚度為2.76 m。

③細(xì)砂:黃色,稍密狀,分選性較差,礦物成份主要為石英、長(zhǎng)石及云母等,層厚為0.70～2.50 m,平均厚度為1.33 m。

④淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土:灰黑色,飽和,流塑狀,成份以粉粒、粘粒為主,粘結(jié)性較好,韌性、干強(qiáng)度較低,高壓縮性,層厚為0.80～4.90 m,平均厚度為2.35 m。

⑤粗砂:灰黃色,飽和,稍密狀,礦物成份主要為石英、長(zhǎng)石及云母等,層厚為1.00～9.90 m,平均厚度為7.00 m。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 方案設(shè)計(jì)

運(yùn)用FLAC 3D有限差分法分析異形段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,在模型中設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),布設(shè)于地下車庫結(jié)構(gòu)上頂板位置,編號(hào)分別為CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4和CJ-5,選取4種工況對(duì)比分析5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù),分析所采取土體加固方法是否安全可靠。

工況1:無加固措施,對(duì)異形部分開挖;

工況2:換填1 m厚級(jí)配碎石+C40混凝土襯砌(原設(shè)計(jì)方案);

工況3:換填1 m厚級(jí)配碎石+C35混凝土襯砌;

工況4:換填1 m厚級(jí)配碎石+C25混凝土襯砌。

3.2 模型建立

以設(shè)計(jì)院提供的設(shè)計(jì)斷面和支護(hù)設(shè)計(jì)為依據(jù),建立數(shù)值模型如圖1所示,進(jìn)口為14.5 m,左右出口為13.5 m,高7 m,呈對(duì)稱狀。根據(jù)圣維南原理和相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知,開挖的影響范圍大致為開挖深度的2～3倍。為了節(jié)約計(jì)算資源,提高效率,模型單元不宜過多。最終的模型尺寸為110 m×61 m×16 m(長(zhǎng)×寬×高),模型共劃分為10 520個(gè)單元。真實(shí)邊界條件為無窮遠(yuǎn)處位移為0,模型簡(jiǎn)化后留取一定范圍土體進(jìn)行分析。

(a) 設(shè)計(jì)平面圖 (b) 設(shè)計(jì)斷面圖 (c) 模型俯視圖 (d) 模型網(wǎng)格劃分圖

3.3 參數(shù)取值

3.3.1上部荷載取值

模型上部荷載按城-A級(jí)荷載取值:22.5 kN/m均布荷載+140 kN集中荷載。

3.3.2支護(hù)參數(shù)取值

由地質(zhì)勘探結(jié)果可知,在Y4-2異形段下方存在大量淤泥質(zhì)土,需要用級(jí)配碎石換填,在回土?xí)r,上方用灰土回填(參數(shù)見表1)。異形段結(jié)構(gòu)周圍的加固方式為上下左右各0.5 m厚C40混凝土保護(hù)板?；炷帘Ｗo(hù)板用實(shí)體單元模擬,模擬參數(shù)取值見表2。

表2 模擬參數(shù)取值

3.4 模擬結(jié)果

4種工況下模型的位移云圖和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線如圖2和圖3所示。

(a) 工況1 (b) 工況2 (c) 工況3 (d) 工況4

(a) 工況1 (b) 工況2 (c) 工況3 (d) 工況4

1)在未進(jìn)行任何支護(hù)情況下,模型很快發(fā)生變形破壞,位移曲線無任何收斂趨勢(shì)。但是,設(shè)計(jì)采用的支護(hù)方式可以有效地控制結(jié)構(gòu)變形,且控制效果好。

2)4種工況下,T型地下車行系統(tǒng)水平方向的沉降變形呈現(xiàn)出兩邊小、中間大的趨勢(shì),且豎直方向變形離立柱越近,沉降變形越小。立柱中心位置主要為隆起變形,離立柱越遠(yuǎn),隆起變形越小,主要源于異形結(jié)構(gòu)中心位置處的立柱對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束作用。

3)在工況2(原設(shè)計(jì)方案)下,監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ-1、CJ-2、CJ-3在進(jìn)出口位置處變形以沉降為主,最大沉降變形發(fā)生在CJ-2處,沉降值為7.5 mm;CJ-1處沉降值為5.8 mm,CJ-3處沉降值為7 mm。在中間立柱處,監(jiān)測(cè)點(diǎn)CJ-4、CJ-5變形以隆起變形為主,最大隆起變形發(fā)生在CJ-4處,隆起值為3.7 mm,CJ-5處隆起值為3.5 mm。

4)在工況4下,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沉降變形在CJ-2處,沉降值達(dá)10.9 mm(設(shè)計(jì)允許變形最大值為10 mm);最大隆起變形在CJ-4處,隆起值達(dá)2.8 mm。縱向?qū)Ρ裙r2、3、4的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)3種工況下監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降變形均發(fā)生在CJ-2處,沉降值分別為7.5、7.3、10.9 mm,因支護(hù)強(qiáng)度改變(工況3、工況4)而引起的位移變化量占比分別為2.6%和45.3%。立柱周圍均出現(xiàn)隆起變形,最大值均發(fā)生在CJ-4處,隆起值分別為3.7、3.9、2.8 mm,因支護(hù)強(qiáng)度改變(工況3、工況4)而引起的位移變化量占比分別為2.7%和24.3%。

5)工況2～4的數(shù)據(jù)分析表明,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C40降至C35時(shí),引起的變形變化率較小;當(dāng)混凝土強(qiáng)度從C35降至C25時(shí),最大沉降變形值超過設(shè)計(jì)允許變形值,引起的位移變化率較大,表明C35等級(jí)混凝土為臨界混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

4 結(jié)論

1)50 cm厚C40混凝土+直徑4 m的混凝土柱可以在大跨度地下車行系統(tǒng)中起到良好的支撐作用,有效地保證周圍巖體的穩(wěn)定性。

2)設(shè)計(jì)不同方案開展數(shù)值對(duì)比試驗(yàn)得知,當(dāng)混凝土等級(jí)從C40降至C35時(shí),圍巖變形的變化量并不大,說明適當(dāng)?shù)亟档椭ёo(hù)強(qiáng)度可以有效保證圍巖的穩(wěn)定性。