結(jié)合基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算U型槽

任育林

（天津市賽英工程建設(shè)咨詢管理有限公司，天津市 300191）

1 U型槽結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計計算

1.1 U型槽結(jié)構(gòu)型式

U型槽整體斷面型式主要由線路路基的橫斷面型式?jīng)Q定，基本部分為側(cè)墻和底板兩大部分。側(cè)墻橫斷面型式一般有矩形、階梯型、梯形3種。底板一般采用矩形斷面，依據(jù)路面橫坡漸變其尺寸。底板兩端可以根據(jù)邊界寬度的限制或抗浮計算來確定是否需要伸出邊墻外側(cè)一定長度，也可以不伸出。

1.2 U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

針對U型槽結(jié)構(gòu)的特點，通?？裳鼐€路縱向取1 m寬結(jié)構(gòu)作為計算單元，按極限狀態(tài)法進行設(shè)計，分別進行結(jié)構(gòu)抗浮、強度、抗裂、撓度驗算；對于有側(cè)移力的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)進行抗滑移、抗傾覆的穩(wěn)定驗算。其設(shè)計計算必須考慮的項素包括結(jié)構(gòu)重力、土的重力、土側(cè)壓力、混凝土收縮及徐變作用、水壓力、浮力，汽車荷載效應(yīng)、汽車產(chǎn)生的土側(cè)壓力，施工臨時荷載，地面附加荷載，地震力等。

計算邊墻側(cè)向土壓力和水壓力，有“水土合算”和“水土分算”兩種方法，在具體工程中應(yīng)根據(jù)U型槽所處地層的土層特性區(qū)別對待，對滲透性好的砂性土和粉土，可按水土分算原則進行。對黏性土可根據(jù)現(xiàn)場情況和工程經(jīng)驗，按水土分算和水土合算進行[1]。水土分算法是按照有效應(yīng)力原理分析，采用浮重度計算土壓力，按靜水壓力計算水壓力，然后兩者相加即為總側(cè)壓力。水土合算法（即總應(yīng)力法）是采用土的飽和重度計算總的水、土壓力。作用在邊墻上的側(cè)向土壓力，是按照靜止土壓力計算還是按主動土壓力計算，目前尚未統(tǒng)一。靜止土壓力是指邊墻不發(fā)生任何方向的位移，墻后土體施于墻背上的土壓力；主動土壓力是指邊墻在墻后土體作用下向前發(fā)生移動，致使墻后填土的應(yīng)力達到極限平衡狀態(tài)時，墻后土體施于墻背上的土壓力。在量值上主動土壓力小于靜止土壓力，對于嚴(yán)格限制U型槽結(jié)構(gòu)的水平位移時，U型槽外側(cè)的土壓力宜取靜止土壓力。常用朗肯和庫倫兩個古典土壓力理論，通過與土的抗剪強度，剪切角和極限平衡條件相聯(lián)系，求解土壓力。

工程設(shè)計中當(dāng)?shù)叵伦罡咚划a(chǎn)生的浮力未能使U型槽產(chǎn)生向上的位移，并有一定的安全儲備，即結(jié)構(gòu)滿足抗浮穩(wěn)定性，無需采用抗浮措施。此時可假設(shè)U型槽底板支撐在彈性地基上，并且板與地基完全接觸，其計算方法常采用彈性地基梁法，而彈性地基的解法又可細分為溫開爾假定法、簡單冪基數(shù)法、郭氏法、鏈桿法、蔡氏法等，每種解法有其最適應(yīng)的地基條件[2]。若通過采用抗拔措施使結(jié)構(gòu)滿足抗浮穩(wěn)定性時，則結(jié)構(gòu)計算邊界條件按抗拔樁設(shè)置型式進行結(jié)構(gòu)分析。當(dāng)利用兩側(cè)基坑支護樁作為壓頂梁時，宜按兩端支撐計算底板受力。

2 基坑支護結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計計算

2.1 基坑支護結(jié)構(gòu)型式

基坑支護應(yīng)保證基坑周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、道路的安全和正常使用，應(yīng)保證主體地下結(jié)構(gòu)的施工空間[3]?；拥闹ёo結(jié)構(gòu)型式眾多，根據(jù)場地及施工條件，按其受力性能大致可劃分為懸臂式支護結(jié)構(gòu)、單（多）支點混合結(jié)構(gòu)、重力式支護結(jié)構(gòu)及拱式支護結(jié)構(gòu)。懸臂式支護結(jié)構(gòu)包括以稀疏樁排、連續(xù)樁排、雙樁排、組合式樁排為組成類別的樁排支擋結(jié)構(gòu)和地下連續(xù)墻。單（多）支點混合結(jié)構(gòu)包括單（多）支點樁排混合支護結(jié)構(gòu)、單（多）支點地下連續(xù)墻、沉井。重力式支護結(jié)構(gòu)包括水泥攪拌樁加固法、高壓旋噴樁加固法、注漿加固法、網(wǎng)狀樹根樁加固法、插筋補強法。拱式支護結(jié)構(gòu)包括圓形支護結(jié)構(gòu)、橢圓形支護結(jié)構(gòu)、曲線形支護結(jié)構(gòu)。工程中支護結(jié)構(gòu)型式的具體采用應(yīng)根據(jù)基坑周邊環(huán)境、開挖深度、工程地質(zhì)、施工作業(yè)面、工程造價、與主體結(jié)構(gòu)的匹配等條件選擇。

2.2 基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

常見的明挖式城市地道，支護結(jié)構(gòu)可根據(jù)受力條件分段按平面問題計算[4]，分別進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計，必須考慮的項素包括結(jié)構(gòu)重力，土側(cè)壓力、鄰近構(gòu)筑物基底應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)向壓力、水壓力，車輛產(chǎn)生的土側(cè)壓力，施工臨時堆載產(chǎn)生的側(cè)向壓力，支撐或錨桿對支護體產(chǎn)生的水平力、豎向力及預(yù)應(yīng)力等。其詳細設(shè)計計算內(nèi)容包括土體穩(wěn)定性計算，支護結(jié)構(gòu)受壓、受彎、受剪承載力計算，支護結(jié)構(gòu)變形計算，地下水控制計算和驗算，當(dāng)有錨桿或支撐時對其進行承載力計算和穩(wěn)定性計算。

現(xiàn)今新建工程支護結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體形式與受力、變形特性等采用不同的分析方法：

（1）錨拉式支護結(jié)構(gòu)，可將整個結(jié)構(gòu)分解為擋土結(jié)構(gòu)、錨拉結(jié)構(gòu)分別進行分析；擋土結(jié)構(gòu)宜采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法進行分析；作用在錨拉結(jié)構(gòu)上的荷載應(yīng)取擋土結(jié)構(gòu)分析時得出的支點力；

（2）支撐式支護結(jié)構(gòu)，可將整個結(jié)構(gòu)分解為擋土結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分別進行分析。擋土結(jié)構(gòu)宜采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法進行分析，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)可按平面結(jié)構(gòu)進行分析。擋土結(jié)構(gòu)傳至內(nèi)支撐的荷載應(yīng)取擋土結(jié)構(gòu)分析時得出的支點力；對擋土結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分別進行分析時，應(yīng)考慮其相互之間的變形協(xié)調(diào)。

（3）懸臂式支護結(jié)構(gòu)、雙排樁支護結(jié)構(gòu)宜采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法進行結(jié)構(gòu)分析。

（4）當(dāng)有可靠經(jīng)驗時，可采用空間結(jié)構(gòu)分析方法對支護式結(jié)構(gòu)進行整體分析或采用結(jié)構(gòu)與土相互作用的分析方法對支護式結(jié)構(gòu)與基坑土體進行整體分析。

基坑支護型式多種多樣，且相互性能差異較大，實際工程中所選擇的每種支護型式均應(yīng)按照現(xiàn)今有效規(guī)范的不同要求進行相應(yīng)設(shè)計計算。

3 工程實例

3.1 工程概況

該工程位于天津市區(qū)內(nèi)，下穿既有鐵路，采用封閉式框架箱體+東西兩側(cè)鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)。箱體長40.6 m，頂進施工。東側(cè)U型槽共分為7個節(jié)間，為27+6×26=183（m）。西側(cè)U型槽共分為6個節(jié)間，為5×26+27=157（m）。U型槽標(biāo)準(zhǔn)全寬33.6 m，底板厚度0.9～1.0 m，邊墻厚度0.8 m，高度1.6～6.7 m。工程地質(zhì)勘查報告表明現(xiàn)狀地面以下15 m深范圍內(nèi)土層為亞黏土，地下水位高程為1.9 m。U型槽底板底面設(shè)計高程為1.5～-3.7 m，基坑開挖深度最深達8 m。支護結(jié)構(gòu)型式隨開挖深度的變化依次采用放坡結(jié)合40 cm鋼扣板樁支護；SMW工法水泥攪拌樁支護（2×Φ60 cm@40 cm，等代80 cm厚或4×Φ60 cm@40 cm，等代160 cm厚）；灌注樁支護（水泥攪拌樁止水帷幕2×Φ60 cm@40 cm，等代80 cm厚，與灌注樁Φ80 cm@90 cm組合）。當(dāng)U型槽節(jié)段結(jié)構(gòu)自身重量不能滿足抗浮要求時設(shè)置多根直徑為1.0 m的灌注樁（抗拔樁）,縱向間距2.5～5 m,橫向間隔設(shè)置5（6）根。U型槽標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示(采用灌注樁支護)。

3.2 計算分析

圖1 U型槽標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意圖

該工程主體結(jié)構(gòu)U型槽及基坑支護結(jié)構(gòu)均按照靜止土壓力及水土分算法計算邊墻側(cè)壓力，未采用抗拔措施的U型槽節(jié)段按彈性地基梁法計算，采用抗拔措施的節(jié)段按抗拔樁設(shè)置型式進行結(jié)構(gòu)分析。詳細計算過程不在此贅述。重點分析基坑支護結(jié)構(gòu)的支擋作用對U型槽結(jié)構(gòu)受力的影響。計算結(jié)果表明，U型槽邊墻與底板相接節(jié)點處內(nèi)力最大，不考慮支護結(jié)構(gòu)支擋作用時，彎矩為10 600 kN，剪力為5 900 kN，抗拔樁最大上拔力為1 650 kN，邊樁上拔力為266 kN；以支護結(jié)構(gòu)與U型槽變形協(xié)調(diào)為前提，考慮支護結(jié)構(gòu)支擋作用時，彎矩為6 340 kN，剪力為3 540 kN，抗拔樁最大上拔力為1 290 kN，邊樁變?yōu)橹螛?，承載力為371 kN。對比分析：理想工況下，支護結(jié)構(gòu)全部承受土側(cè)壓力，即工程可直接施做主體結(jié)構(gòu)底板，支護結(jié)構(gòu)成為主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻，當(dāng)然這種組合下的主體結(jié)構(gòu)須滿足相關(guān)規(guī)范的其它規(guī)定。

實際工程中，舊版《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—1999）中未明確支護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的組合計算分析，新版《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）中僅給出地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)外墻結(jié)合時，采用單一墻、復(fù)合墻或疊合墻的結(jié)構(gòu)型式計算分析。

本文在該工程設(shè)計時考慮支護結(jié)構(gòu)的支擋作用，即主體結(jié)構(gòu)邊墻側(cè)壓力部分由基坑支護結(jié)構(gòu)抵抗，這也完全符合工程實際。經(jīng)計算，U型槽結(jié)構(gòu)內(nèi)力減少約40%，最大上拔力也有所減少，邊樁角色改變（注：抗拔樁的受力大小主要與抗拔樁的布置位置、根數(shù)相關(guān)，但邊墻側(cè)壓力對邊樁受力影響較大）。在此基礎(chǔ)上進行工程優(yōu)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸將更合理，配筋節(jié)約，支護結(jié)構(gòu)也能充分發(fā)揮作用，節(jié)省工程造價。

筆者分析認為，對基坑支護結(jié)構(gòu)所起的支擋作用大小，可簡化考慮，按照支護結(jié)構(gòu)與U型槽結(jié)構(gòu)兩者的剛度大小分配側(cè)壓力，這完全能滿足工程的需要。該工程2008年竣工，運行至今，結(jié)構(gòu)安全，狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

簡要總結(jié)和介紹了基坑支護和U型槽的結(jié)構(gòu)型式與設(shè)計計算理論，通過工程實例，說明U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)考慮基坑支護結(jié)構(gòu)的支擋作用，提出兩者可按剛度比分擔(dān)側(cè)壓力，尤其在高側(cè)墻U型槽設(shè)計中，基坑深度增加，設(shè)計支護結(jié)構(gòu)變強，剛度增大，能抵抗更多側(cè)壓力，這在工程實際中不可忽略。U型槽抗拔樁的合理設(shè)置，側(cè)壓力對其影響程度等問題需進一步研究。

[1]陳忠漢,黃書秩,程麗萍.深基坑工程（第二版）[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[2]楊維加.彈性地基梁的三角級數(shù)解法[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[3]JGJ 120-2012,建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[4]JGJ 120-1999,建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].