深基坑圍護結構內(nèi)支撐優(yōu)化設計

朱嘉科， 譚林利

(1.湖南省交通科學研究院， 湖南 長沙　410015;　2.南華大學 城市建設學院， 湖南 衡陽　421001)

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深基坑圍護結構內(nèi)支撐優(yōu)化設計

朱嘉科1， 譚林利2

(1.湖南省交通科學研究院， 湖南 長沙410015;2.南華大學 城市建設學院， 湖南 衡陽421001)

摘要：在深基坑工程中，影響其圍護結構穩(wěn)定性因素眾多，由于工程地質(zhì)及環(huán)境等因素多變，各因素相互作用更為復雜。以鄭州市某明挖深基坑工程為實例，圍繞該深基坑圍護結構的穩(wěn)定性問題，對深基坑圍護樁的水平位移進行施工實測，同時利用ANSYS有限元模擬方法及理正結構設計軟件對其進行數(shù)值模擬。首先在相同位置處，把由軟件分析和實際施工監(jiān)測所得數(shù)據(jù)相對比；在同時滿足工程安全、可行、經(jīng)濟的前提下，提出結構優(yōu)化設計，通過軟件模擬其內(nèi)支撐在不同的位置而得到的不同模擬數(shù)據(jù)與相應的施工實測數(shù)據(jù)進行對比，之后分析由其位置的變化與圍護結構樁體變形的規(guī)律，進而分析出內(nèi)支撐位置的變化對深基坑圍護結構穩(wěn)定性的影響，從而使結構設計得到優(yōu)化。

關鍵詞：深基坑； 圍護結構； 數(shù)值模擬； 優(yōu)化設計； 變形

0引言

近些年來，隨著城市密集化程度的逐漸增加，交通運輸需求的日趨擴大，發(fā)展地下工程，充分利用地下空間，成為緩解中國各大城市交通擁擠問題的趨勢。而地下深基坑的施工過程中 ，其圍護結構的穩(wěn)定性高低無疑是其建設成功的首要問題，也是關鍵問題之一[1]。深基坑圍護結構不僅要滿足結構的強度要求[2]，同時也要滿足構件的變形要求，而深基坑工程一般為地下施工，其所處環(huán)境可變量多，影響因素多而復雜[3]。本研究以鄭州某開挖深基坑的圍護結構為實例，以實際施工監(jiān)測的排樁圍護結構水平變形為研究對象，同時利用理正結構設計軟件及ANSYS模擬軟件進行有限元數(shù)值模擬分析。有限元數(shù)值模擬與實際施工基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)結果進行對比并分析其變形規(guī)律[4]，進而優(yōu)化結構設計方案。

1工程實例

1.1工程概況

該基坑位于鄭州市鄭花路與三全路交叉口，沿鄭花路呈南北走向布置?；尤L186.5 m，寬18.7 m，標準段基坑尺寸為18.7 m×12.96 m，埋深約17 m；加寬段尺寸為23.9 m×12.96 m。本文采用加寬段MBZ3 — XLL — 003鉆孔資料，對該斷面的圍護結構進行計算，該鉆孔處各層土體分布及土體物理力學參數(shù)見表1。

1.2基坑圍護結構內(nèi)支撐設計

該深基坑采用明挖法順筑法施工。圍護結構降水采用鉆孔灌注樁結合基坑外降水方案，基坑主體圍護結構采用Φ1000 mm@1200 mm鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐，樁間土采用掛網(wǎng)噴射混凝土，外放300 mm做φ850@600 mm的三軸攪拌樁止水帷幕，止水帷幕需進入隔水層。基坑內(nèi)設置3道支撐加1道換撐，4道支撐均采用Φ609鋼管支撐，具體布置關系見圖1。

1.3有限元模型建立及模擬

本工程采用的計算軟件北京理正深基坑支護F — SPW7.0PB1，是由北京理正軟件股份有限公司自主研發(fā)的基坑計算軟件，是目前國內(nèi)在深基坑支護設計類工程上使用最廣泛的計算類軟件。結構按施工過程采用“增量法”進行受力分析，開挖期間圍護結構作為支擋結構，承受全部的水土壓力，使用階段由主體結構承載。施工階段受力分析模擬了施工過程，遵循“先變位，后支撐”的原則，在計算中計入結構的先期位移值及支撐變形，采用彈性有限元法進行結構計算，地基對結構的作用采用分布水土壓力及一系列不能受拉的彈簧進行模擬，最終的位移及內(nèi)力值為各階段累加值。使用階段將結構視為底板置于彈性地基上的平面框架進行分析。

表1 土層的物理力學參數(shù)土層編號土層名稱天然密度/(kg·m-3)壓縮模量/MPa靜止側壓力系數(shù)內(nèi)摩擦角/(°)粘聚力c/kPa土層深度/m1-0雜填土18.015.0152.62-3細砂20.311.400.3424.613.94-3細砂21.211.970.3228.57.24-6粉質(zhì)粘土20.07.290.4516.5254.54-3細砂21.211.970.3228.53.04-5粉土20.510.000.4321.0134.8 注:根據(jù)地勘報告整理。

圖1　主體圍護結構橫剖面圖(單位： mm)

深基坑圍護結構整體主要包括地下圍護樁、鋼支撐、混凝土結構、周圍土層等幾大部分。由于深基坑施工過程較為復雜，在使用ANSYS有限元方法分析時常將土體視為彈性或彈塑性材料，并作出如下假設： ①將巖土體視為連續(xù)均勻、各向同性介質(zhì)，采用D — P屈服準則； ②僅考慮土體自重應力的影響[5]。在工程施工過程中各部分之間相互作用，建立模型時，土體的兩側面邊界各取約為基坑開挖寬度的3倍(水平方向兩側各取40 m)，豎直方向從基坑底向下取約為基坑開挖深度的3倍(豎直方向取為60 m)。土體采用ANSYS軟件中三維實體單元Solid45來模擬，鋼支撐采用梁單元beam188進行模擬[6]。圍護樁采用C30的混凝土，根據(jù)經(jīng)驗值將彈性模量E取為25 GPa，泊松比v取0.20，重度為25 kN/m2，鋼支撐彈性模量E取為200 GPa，泊松比v取0.26，重度為25 kN/m2。在基坑開挖前已經(jīng)進行了基坑降水處理，因此不考慮地下水對基坑圍護結構變形的影響。深基坑整體有限元模型如圖2所示。

圖2　深基坑整體有限元模型

2對比結構分析

2.1施工監(jiān)測與數(shù)值模擬結果對比

本文選取該基坑的某一處橫剖面為模型，該斷面采用3道鋼支撐加1道換撐的內(nèi)支撐形式，第1道鋼支撐的水平間距為6 m，其余3道鋼支撐均為3 m；各支撐的豎向間距分別為1.5、5.5、5.5、1.5 m，通過統(tǒng)計實際施工中樁體水平位移量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)與ANSYS對應模型模擬所得結果進行對比，具體對比結果見圖3和圖4。

圖3　樁體水平變形圖

圖4　樁體水平位移對比曲線

根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120 — 99)的規(guī)定[7]，本工程基坑安全等級為一級，即變形控制保護等級為一級[7]，應控制基坑外地面最大沉降量≤25.8 mm(≤0.15%H)，圍護結構最大水平位移≤25.8 mm(≤0.15%H且≤30 mm)，H為基坑開挖深度。其變形量均滿足深基坑水平位移變形量。由統(tǒng)計與計算模擬結果分析可知，樁體的總體變形趨向于“弓”型變形，三者總體大致變形趨勢相近，在樁體的約2/3位置變形達到最大值。故在實際工程中，可用數(shù)值模擬程序來模擬實際工程，計算出工程施工中樁體的大致變形量為多少，通過不斷調(diào)整參數(shù)進而使結構設計得到進一步優(yōu)化[8]。

2.2優(yōu)化設計結果分析

不同的設計方案在實際施工中會使工程的結構產(chǎn)生不同程度的變形[9]，本文在原方案的基礎上，通過改變原設計內(nèi)支撐的位置，利用ANSYS數(shù)值模擬程序?qū)υ摂嗝孢M行模擬，得出不同支撐位置及相對應的樁體水平位移最大值的具體數(shù)據(jù)變化如表2所示，具體不同設計參數(shù)得到的具體位置變形量大小對比見圖5。

表2 優(yōu)化設計的支撐位置類別豎直間距/m支撐1支撐2支撐3支撐4樁體最大位移變形值/mm設計11.55.35.71.526.15設計21.55.55.51.525.2設計31.55.75.31.524.98設計41.55.95.11.523.07設計51.56.14.91.522.01設計61.56.34.71.522.55 注:上述各設計的差異在于內(nèi)支撐2與3的豎向間距大小。

圖5　樁體水平變形對比曲線

分析對比結果得：

1) 根據(jù)表2和圖5中數(shù)據(jù)可知，在其他因素相同的條件下，內(nèi)支撐的支撐位置變化對樁體的水平位移產(chǎn)生重要影響，隨著內(nèi)支撐位置的變化，其圍護結構樁體的水平位移大小也發(fā)生變化，并在設計5設計的位置約達到最小位移。在實際工程中，應對支撐位置進行多次計算模擬對比后取其最優(yōu)設計位置。

2) 隨著基坑的開挖與支撐，其樁體的最大水平位移位置約發(fā)生在基坑開挖深度的中上位置，且其變形總體趨向于“弓”型變形，故在此位置附近可采取對應其他措施防止其發(fā)生更大變形。

3) 由于地下工程環(huán)境復雜，不可控因素較多，再加上實際施工中難免會出現(xiàn)各種各樣的誤差，導致實際監(jiān)測數(shù)據(jù)往往比設計計算值大，所以在實際工程中應盡可能使深基坑結構設計最優(yōu)化，從而使其變形量滿足規(guī)范要求，使工程達到安全、穩(wěn)定效果。

4) 根據(jù)圖4、圖5及表2所得到的數(shù)據(jù)結果顯示，運用ANSYS數(shù)值軟件所模擬的圍護結構排樁的水平位移與實際施工監(jiān)測到的數(shù)據(jù)其變化趨勢相同，數(shù)據(jù)相近，故其計算結果可適當作為設計依據(jù)參考。

3結論

結合上述實際地鐵工程的相關資料分析，運用適當?shù)哪M軟件對深基坑結構工程進行模擬分析，從而使深基坑圍護結構內(nèi)支撐設計達到最優(yōu)化，這樣使其變形量既能滿足結構設計規(guī)范要求，使工程達到安全、穩(wěn)定要求；而又從另一方面來說，在保證工程安全的前提下，圍護結構內(nèi)支撐的優(yōu)化設計，為社會節(jié)省一定的人力、物力資源，也使工程成本經(jīng)濟達到較優(yōu)化的狀態(tài)。

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中圖分類號：U 45

文獻標識碼：A

文章編號：1008-844X(2016)01-0113-04