某新建總部大樓基坑工程偏壓支護設(shè)計分析

戴志成 （蘇州高新區(qū)（虎丘區(qū)）建設(shè)工程設(shè)計施工圖審查中心，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

伴隨著我國城市化進程的飛速發(fā)展，地下空間開發(fā)力度不斷加大，基坑開挖深度日益加深，周邊環(huán)境情況也越來越復(fù)雜[1]，如某新建總部大樓基坑即位于東高西低的山坡腳下并且高差很大。地形起伏較大引起的不平衡土壓力對基坑支護結(jié)構(gòu)體系的影響，是本基坑支護設(shè)計計算面臨的一道重大難題。論文通過采用彈性支點法進行單元計算、利用有限元進行偏壓建模計算，較為準確地獲得了支護結(jié)構(gòu)的受力性狀，并對工程進行了方案設(shè)計。通過與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，證明計算方法基本可行，為后續(xù)同類型基坑支護設(shè)計工程提供了有益參考[2]。

1 工程簡介

1.1 工程概況

擬建總部大樓為地上1-7層地下1層辦公建筑，按照“洄歸”設(shè)計理念結(jié)構(gòu)層層退臺，建筑剖面如下圖1所示。項目±0.00為85國家高程5.40m，首層層高6.05m，地下室頂板標高-0.80m，東南角純地庫位置頂板為-1.80m。由于地勢變化，基坑西側(cè)開挖深度6.6m，東側(cè)基坑開挖深度11.15m，基坑總平面圖見圖2。

圖1 建筑剖面

圖2 基坑總平面圖

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)本項目巖土工程勘察報告，本工程地層分布由上而下依次如下。

①填土：層厚0.50～3.70m，層底標高3.39～8.22m。

②粉質(zhì)黏土：層厚3.00～6.00m，層底標高-0.21～3.31m。全場地分布。

③粉質(zhì)黏土：層厚3.30～5.50m，層底標高-4.49～-1.25m。

④粉質(zhì)黏土：層厚1.70～14.50m，層底標高-18.51～-3.85m。

⑤粉質(zhì)黏土夾碎石：層厚1.00～16.90m，層底標高-24.66～-5.39m。

⑥強風(fēng)化砂巖：揭穿處層厚4.80～20.30，層底標高-33.66～-17.69m。

⑦中風(fēng)化砂巖：單軸飽和抗壓強度標準值為21.49MPa，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，巖芯采取率在60～80%，RQD=30～50。本層未揭穿，全場地分布。

本基坑側(cè)壁土層為第1，2，3層。基坑土層特性可見表1。

基坑土層特性表 表1

1.3 水文地質(zhì)條件

對本工程基坑開挖有影響的地下水主要有兩種類型，即潛水和承壓水[3]。

①潛水：潛水含于第（1）層填土，主要由大氣降水補給，以蒸發(fā)、向近河滲透等方式排泄，水位隨晴雨天氣變化。本場地地下水的穩(wěn)定水位深度為0.50～1.40m，豐水期與枯水期地下水穩(wěn)定水位變化幅度在0.50～1.00m；

②微承壓水：承壓水埋藏于第（5）層粉質(zhì)黏土夾碎石及（6）強風(fēng)化砂巖中。該層水具弱承壓性。根據(jù)水文地質(zhì)勘察報告，該層水位標高為6.93～7.20m（85國家高程基準）。

2 基坑圍護設(shè)計方案

2.1 基坑特點

本基坑地下僅1層，開挖面積約5000m2。由于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，因此底板及頂板標高種類繁多。底板周邊有地梁和承臺并且下落深度較大，設(shè)計計算需按不利的承臺深度考慮。

基坑西側(cè)基坑開挖深度6.6m左右，而東側(cè)則為11m左右，基坑?xùn)|西兩側(cè)相對高差超過4m，土壓力不平衡現(xiàn)象明顯。如何考慮土體偏壓問題、確?；庸こ痰陌踩?，對支護設(shè)計計算提出較高挑戰(zhàn)。

2.2 基坑設(shè)計方案選型

一般來說，基坑工程支護設(shè)計選型一般綜合下列因素考慮確定：

①結(jié)合基坑平面形狀及尺寸選擇合適的支撐布置形式及手段；

②結(jié)合基坑的設(shè)計等級及開挖深度選擇合適重要性系數(shù)；

③結(jié)合基坑工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件選擇合適的支護體系；

④結(jié)合基坑環(huán)境對變形的要求選擇合理的變形控制標準；

⑤結(jié)合主體地下結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)類型選擇便于施工、節(jié)能環(huán)保的支護材料。

本工程周圍環(huán)境較為復(fù)雜，場地東西為市政道路且臨近基坑有市政管線，項目不具備放坡條件需直立開挖?？紤]到排樁結(jié)構(gòu)具有較強的變形控制能力，同時結(jié)合本地關(guān)于錨索使用政策的限制[4,5]，故初步選用灌注樁/地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐的支護形式。

在進一步的支護結(jié)構(gòu)選型上，考慮到地下連續(xù)墻工程造價較高，且本基坑土質(zhì)較好，選擇灌注樁做支護結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟可行。根據(jù)地層特性，本次灌注樁采用旋挖成孔。

對于內(nèi)支撐的選型，考慮到本基坑為偏壓荷載，鋼支撐受力分析復(fù)雜并且對施工要求較高，一旦破壞則后果不堪設(shè)想。又由于混凝土內(nèi)支撐抗壓強度較大并且節(jié)點可靠整體性好，更有利于協(xié)調(diào)基坑的不均勻土壓，因此選擇了混凝土支撐體系。支護樁采用φ900@1200鉆孔灌注樁，設(shè)置一道支撐，支撐設(shè)置在標高-0.9m處，截面1000*800mm。設(shè)計考慮采用角撐+對撐的支撐方式，以進一步發(fā)揮混凝土的抗壓強度，形成較為開闊的土方開挖空間，并節(jié)省材料[6]。支撐平面圖見圖3。

圖3 基坑圍護設(shè)計方案

3 設(shè)計計算和有限元分析

3.1 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計需依據(jù)基坑工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，結(jié)合基坑周邊不同環(huán)境進行分段處理設(shè)計，以實現(xiàn)經(jīng)濟合理科學(xué)的設(shè)計目標。本基坑總體側(cè)壁安全等級按二級考慮，重要性系數(shù)為1.0；東側(cè)深度較大接近11m，側(cè)壁安全等級一級考慮，重要性系數(shù)為1.1。根據(jù)建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程，采用彈性支點法分別對基坑?xùn)|北角、西北角、東西南北側(cè)進行單元計算，以朗肯理論模型分析計算主動土壓力。

經(jīng)反復(fù)計算調(diào)整，支護結(jié)構(gòu)的計算設(shè)計結(jié)果均滿足整體穩(wěn)定性、坑底抗隆起及抗?jié)B流等多項規(guī)范指標要求，得到了不同支護剖面的位移及內(nèi)力包絡(luò)圖。典型剖面東側(cè)剖面3a圍護結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力包絡(luò)圖如圖4所示。通過對比分析，可見東西兩側(cè)計算結(jié)果差異不大，樁身變形及彎矩分布形態(tài)較為接近，東側(cè)計算所得支護樁身最大彎矩大于西側(cè)。其中，支護樁身最大位移約11mm，滿足一級基坑變形控制要求。

圖4 3a剖面基坑圍護設(shè)計方案

3.2 有限元數(shù)值模擬

為進一步研究偏壓基坑受力性狀，采用有限元數(shù)值模擬方法，模擬計算基坑在東西兩側(cè)高差導(dǎo)致的土壓力不平衡條件下支護體系的整體位移、內(nèi)力分布及支撐軸力情況。

3.2.1 計算模型

本基坑平面較為規(guī)則，形狀近似長方形，因此可基于平面應(yīng)變假定采用二維平面模型進行簡化分析。設(shè)計計算參數(shù)根據(jù)地勘報告選取，混凝土材料按線彈性本構(gòu)模型；土體計算采用HSS小應(yīng)變硬化模型。本模型已經(jīng)過實踐證明其對于基坑開挖卸載工況具有較好模擬精度；計算工況完全按照實際開挖工序進行模擬，二維模型如圖5所示。

圖5 基坑模型圖

圖6 水平位移云圖、變形趨勢圖

3.2.2 計算工況

根據(jù)施工總體安排，本次模擬計算工況包括如下幾步：首先進行初始地應(yīng)力平衡，然后工況一開挖至-0.9m；工況二激活混凝土支撐單元模擬施工樁頂冠梁及支撐；工況三開挖至-8.1m處，挖至基坑底部。

4 計算與實測數(shù)據(jù)對比分析

本基坑工程自2020年10月開始施工支護樁，至2021年8月地下室完成施工并回填，共歷時10個月。在基坑工程施工過程中，委托第三方專業(yè)單位進行了全工況信息化監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果包括支護結(jié)構(gòu)的項變形和受力情況，部分主要監(jiān)測成果與計算分析進行對比分析如下。

4.1 支護樁樁身水平位移

本基坑?xùn)|側(cè)剖面采用直徑900@1200鉆孔樁+一道混凝土支撐，采用彈性支點法和二維平面有限元計算結(jié)果均表明，支護樁樁身彎矩及位移最大值均出現(xiàn)在支護樁中部接近坑底位置。對比樁身測斜曲線，可見樁身變形基本發(fā)生在8m左右深度處，計算與實測數(shù)據(jù)對比如圖8所示。

圖7 東側(cè)支護樁工況一、二位移圖

圖8 計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

此外，由監(jiān)測結(jié)果和計算結(jié)果可知，樁身位移實測值最大，單元計算值最小；同時由于坑底土質(zhì)較好，為硬塑粉質(zhì)粘土，因此單元計算與數(shù)值模擬結(jié)果均表明開挖到底后變形穩(wěn)定，支護樁位移不再增加。

4.2 支撐軸力對比分析

二維整體有限元計算與實測數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果（圖9）所示，軸力變化較為穩(wěn)定，軸力最大值發(fā)生在基坑開挖至基底部分。

圖9 支撐軸力變化圖

5 結(jié)論

本基坑深6.85m～11.15m，周邊環(huán)境復(fù)雜，東西兩側(cè)地形高差較大，具有顯著偏壓受荷特點。本文介紹了本次工程的基坑支護方案對比選型、彈性支點法設(shè)計計算及平面有限元模擬情況，通過對理論計算與現(xiàn)場實測對比分析，得出以下幾點結(jié)論：

①基于某公司新建總部大樓基坑工程的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，采用彈性支點法和有限元仿真模擬，得到了在基坑工程不同開挖工況下支護結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力性狀，并進行了分析；

②在考慮不平衡土壓力的情況下采用鉆孔灌注樁和混凝土支撐的支護方案，計算結(jié)果顯示會產(chǎn)生向土壓力較小一側(cè)的整體偏移，但偏移結(jié)果不明顯。表明此設(shè)計方案思路可行，可有效控制基坑變形，可以為后期同類型基坑支護方案提供參考，具有一定的參考意義；

③采用彈性支點法及二維平面有限元分析的支護樁身位移、支撐軸力數(shù)據(jù)均小于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，表明由于在參數(shù)不確定性、本構(gòu)模型理想化及實際施工工況復(fù)雜多變的影響下，理論計算尚無法完全翔實模擬基坑施工過程中的內(nèi)力及位移性狀，但是其計算結(jié)果所得到的變形及內(nèi)力規(guī)律與實測較為相符，基坑工程施工仍需高度重視信息化監(jiān)測工作。