基坑設(shè)計(jì)中將既有邊坡作為等效荷載處理的合理性研究

許美

摘 要：以武漢某既有邊坡條件下的深基坑為例，運(yùn)用PLAXIS數(shù)值模擬軟件建立兩種不同模型，并結(jié)合工程軟件計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特征進(jìn)行對(duì)比分析，以論證基坑設(shè)計(jì)中將既有邊坡作為等效荷載處理的合理性，并針對(duì)本基坑初步提出工程設(shè)計(jì)中等效荷載的折減系數(shù)取值。研究表明，在工程設(shè)計(jì)中，將既有邊坡作為等效荷載處理會(huì)人為地增大支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的土壓力，導(dǎo)致基坑設(shè)計(jì)偏向于保守。在實(shí)際工作中，可以考慮將等效荷載加以折減，然后再運(yùn)用到基坑設(shè)計(jì)中。對(duì)于本基坑而言，其等效荷載的折減系數(shù)取0.8最為科學(xué)。

關(guān)鍵詞：既有邊坡；支護(hù)結(jié)構(gòu)；受力變形；等效荷載；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U655.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）09-0040-03

隨著我國(guó)高層建筑的發(fā)展，各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的深基坑工程也逐漸出現(xiàn)。其中，既有邊坡條件下的基坑工程就顯得較為特殊。在此類基坑工程設(shè)計(jì)中，既有邊坡一般被直接等效為荷載進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

本文基于武漢某既有邊坡條件下的深基坑工程，采用數(shù)值模擬、工程軟件計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，在總結(jié)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討基坑設(shè)計(jì)工作中將既有邊坡作為等效荷載處理的合理性，并提出本基坑等效荷載的折減系數(shù)，為此類深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

本基坑位于山坡地段，其自然地面從南至北順山勢(shì)由低到高，基坑北側(cè)（AB段）地勢(shì)相對(duì)較高，距離基坑外緣7m處有一高約5m的陡坎，基坑南側(cè)（EF段）地勢(shì)較低。基坑平面位置如圖1所示。

本場(chǎng)地在勘察深度范圍內(nèi)，地層主要分為四類：表層為①層雜填土，上部為②層第四系粘土和③層殘積土，下部為④層志留系泥巖。主要地層的具體分布情況及其物理力學(xué)參數(shù)見下文，在此不再贅述。

場(chǎng)地地下水的類型主要是上層滯水，上層滯水賦存于①雜填土中，該場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單，主要接受大氣降水補(bǔ)給，雨水量較少，且集中于雨季，沒有統(tǒng)一的自由水面，地下水水量受周邊排泄條件影響很大。

1.2 基坑設(shè)計(jì)方案

本基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采用以下方案：周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁排樁，豎向設(shè)置一道環(huán)撐支撐體系。由于地形原因，基坑開挖深度也存在較大差異，最大開挖深度為12.7m（AB段），最小開挖深度為7.5m（EF段），按照“安全、經(jīng)濟(jì)”的設(shè)計(jì)原則，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)亦分段進(jìn)行。

2 有限元模型建立

2.1 計(jì)算斷面選取

根據(jù)基坑的開挖深度及周邊環(huán)境，選擇基坑北側(cè)AB段（最不利地段）作為計(jì)算斷面。AB段的地層分布情況及其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 計(jì)算模型建立

本文建立兩種計(jì)算模型：一種計(jì)算模型是既有邊坡不作任何處理；第二種計(jì)算模型是將既有邊坡等效為均布荷載，等效荷載大小為80KN/m。根據(jù)分析結(jié)果和模擬經(jīng)驗(yàn)，本文將第一種計(jì)算模型的尺寸定為100m×60m，將第二種計(jì)算模型的尺寸定為100m×54m。在計(jì)算模型中，將支護(hù)排樁看作是厚度一定的板，運(yùn)用板單元進(jìn)行模擬，用錨定桿對(duì)內(nèi)支撐和換撐板進(jìn)行模擬，將周邊建筑物等效為18KN/m的附加荷載。兩種計(jì)算模型及其有限單元網(wǎng)格劃分情況如表2所示。

2.3 計(jì)算參數(shù)選取及施工工況劃分

本文采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型進(jìn)行分析，綜合有關(guān)計(jì)算理論和模擬經(jīng)驗(yàn)，給出模型的計(jì)算參數(shù)。巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

本文將基坑施工劃分成5個(gè)工況，模擬基坑開挖至基底的全過程。具體的施工工況劃分如表4所示。

3 數(shù)據(jù)分析

本節(jié)主要從圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形兩個(gè)方面對(duì)以上兩個(gè)計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 支護(hù)樁水平位移

由圖2及圖3可知：①支護(hù)樁樁頂?shù)乃轿灰谱畲?，樁底的水平位移最小，支護(hù)樁水平位移呈現(xiàn)“上大下小”的“大肚型”分布。②計(jì)算模型二條件下的支護(hù)樁水平位移比計(jì)算模型一條件下的支護(hù)樁水平位移大，例如在工況二中，計(jì)算模型二的支護(hù)樁樁頂水平位移比計(jì)算模型一的支護(hù)樁樁頂水平位移大2.6mm。這說明將既有邊坡等效成均布荷載會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形位移增大。

3.2 支護(hù)樁和內(nèi)支撐內(nèi)力

由圖4和圖5可知：①在工況二中，支護(hù)樁的彎矩呈現(xiàn)“兩頭小，中間大”的變化形態(tài)，曲線形態(tài)符合懸臂樁體的彎矩分布規(guī)律。②在工況二和工況四中，樁身最大彎矩出現(xiàn)在樁頂下8～10m范圍內(nèi)，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加大該段樁身的配筋。③計(jì)算模型二條件下的支護(hù)樁樁身彎矩比計(jì)算模型一條件下的支護(hù)樁樁身彎矩大，例如在工況二中，兩種模型的樁身最大彎矩相差約20KN.m。這說明將既有邊坡等效成均布荷載會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩增大。

開挖至樁頂以下8m、10m、12.7m（即基底）三種工況下的內(nèi)支撐內(nèi)力如圖6所示。

由圖6可知：①在基坑開挖過程中，內(nèi)支撐內(nèi)力在變化趨勢(shì)上是逐漸增大的。這說明基坑的開挖對(duì)內(nèi)支撐內(nèi)力影響很大。②計(jì)算模型二條件下的內(nèi)支撐內(nèi)力比計(jì)算模型一條件下的內(nèi)支撐內(nèi)力大，相差約250～300KN。

綜上分析可知，將既有邊坡等效成荷載的做法會(huì)增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形。

4 模擬結(jié)果、設(shè)計(jì)成果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

本節(jié)將對(duì)比分析數(shù)值模擬結(jié)果、設(shè)計(jì)成果及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)上節(jié)已得到的結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步論證。

由圖7及圖8可知：支護(hù)樁水平位移模擬值與監(jiān)測(cè)值較為接近，而由工程軟件計(jì)算得到的支護(hù)樁水平位移要比模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果大許多。

由圖8可知：①實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的支護(hù)樁樁頂水平位移要比模擬得到的水平位移小一些。這主要是在模擬計(jì)算時(shí)沒有考慮冠梁對(duì)支護(hù)樁樁頂水平位移的限制作用及基坑旁大樹根系對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。②在換撐階段（即工況五），監(jiān)測(cè)值比模擬值稍大，可能是由于拆除臨時(shí)內(nèi)支撐時(shí)施工振動(dòng)所引起的。

由圖9可知：內(nèi)支撐內(nèi)力模擬值雖不能與實(shí)測(cè)值完全吻合，但是兩者之間懸殊不大，最大誤差不超過8%，可以認(rèn)為它們是基本吻合的。設(shè)計(jì)上的計(jì)算值比模擬值和實(shí)測(cè)值大。

綜上分析可知：設(shè)計(jì)時(shí)將既有邊坡等效成均布荷載，從而人為地增大了支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的土壓力，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形偏大。這說明了工程設(shè)計(jì)上將既有邊坡等效成荷載的做法是不夠準(zhǔn)確的，等效處理后的情況與實(shí)際存在一定偏差。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮將等效荷載進(jìn)行一定折減，再運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)中。對(duì)于本基坑等效荷載的折減系數(shù)取值，通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的對(duì)比分析，折減系數(shù)取0.8最為科學(xué)。

5 結(jié)論

（1）在工程設(shè)計(jì)中，將既有邊坡作為等效荷載處理會(huì)人為地增大支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的土壓力，導(dǎo)致基坑設(shè)計(jì)偏向于保守，該做法有待改進(jìn)。

（2）在實(shí)際工作中，可以考慮對(duì)等效荷載予以折減，然后再運(yùn)用到基坑設(shè)計(jì)中。對(duì)于本基坑而言，通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的對(duì)比分析，其等效荷載的折減系數(shù)取0.8最為科學(xué)。

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