某軟弱地基深基坑支護計算分析

劉全興，張翠瑩

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢 430071）

引言

近年來，我國基坑開挖及支護結(jié)構(gòu)研究越來越多，許多學(xué)者分別從數(shù)值分析、理論推導(dǎo)等角度對基坑空間支護進行了模擬，并與實際工程的檢測數(shù)據(jù)進行了對比分析[1]?；又ёo結(jié)構(gòu)作為一種臨時性結(jié)構(gòu)，在保證基坑及鄰近工程環(huán)境安全的前提下必須考慮其經(jīng)濟性[2]。因此如何在確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定和變形得到有效控制的前提下，綜合考慮基坑開挖深度、土體特性以及鄰近工程保護等級、施工條件等各因素，針對工程特點采用經(jīng)濟合理的支護形式，對基坑的設(shè)計和施工都有著非常重要的意義。本文結(jié)合實際工程對基坑支護進行計算，從而確定支撐體系的最終實施方案。通過現(xiàn)場實際施工情況論證數(shù)值模擬計算及支護結(jié)構(gòu)選擇的合理性。

1 工程概況

某取水口工程基坑南北向最大長度約為 62 m，東西向最大長度約為50 m，開挖總深度為14 m，取水口深基坑結(jié)構(gòu)邊線與后方廠區(qū)道路邊線的凈距為24 m，與海側(cè)護岸邊線凈距為14 m。

取水口基坑圍護結(jié)構(gòu)采用厚度為1.2 m 的鋼筋混凝土地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)?；硬捎娩摻Y(jié)構(gòu)支撐體系，支撐體系由鋼管、冠梁、鋼圍檁及立柱組成，基坑支護平面布置見圖1。

圖1 基坑支護平面圖

施工采用陸上分層開挖、分層支護配合基坑內(nèi)外側(cè)臨時降水的方案。基坑開挖步驟如下：

第1 步：整平場地標(biāo)高至4.5 m，施工地下連續(xù)墻；

第2 步：基坑開挖至3.0 m，分段施工冠梁-第一道鋼支撐；

第3 步：分塊、分層開挖至-1.0 m，分段施工冠梁-第二道鋼圍檁、支撐；

第4 步：分塊、分層開挖至-5.0 m，分段施工冠梁-第三道鋼圍檁、支撐；

第5 步：分塊、分層開挖至-8.0 m。見圖2。

圖2 基坑開挖步序圖

根據(jù)勘察報告，工區(qū)地層為第四紀(jì)海相沉積層與陸相沉積層，以海相沉積為主，沉積韻律較明顯，新近沉積土層較為松散軟弱，土層的強度從上至下逐漸增大。根據(jù)工程區(qū)域鉆探資料，工區(qū)地層主要由淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土及粉質(zhì)粘土、密實粉細砂等組成。

2 基坑支護計算

目前深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中種常用的基本計算方法主要有極限平衡法、地基反力法和有限元分析法。

極限平衡法的基本計算原理是將超靜定問題簡化為靜定問題求解，既先假定被動土壓力和主動土壓力在是圍護墻前后分別所受的土壓力，再作其它一些力學(xué)上的簡化假設(shè)。極限平衡法常用于土層較均勻、周圍環(huán)境較穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)。

彈性地基反力法計算時可以考慮墻體彎矩、支撐軸力、土壓力等隨開挖過程的變化，同時土剛度和結(jié)構(gòu)剛度的作用能夠得到合理的分析解釋?；觾?nèi)開挖面以上的內(nèi)支撐點，通過彈性支座模擬。

有限元法的基本原理是將基坑視為一個空間結(jié)構(gòu)體系，不僅包括支護結(jié)構(gòu)本身，地基土也在內(nèi)。同時考慮開挖過程中各因素的綜合影響，包括滲流、施工條件、支護結(jié)構(gòu)與土的相互作用等因素的影響，綜合分析開挖引起的環(huán)境效應(yīng)、支護結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力等。有限單元法與常規(guī)計算方法相比其主要優(yōu)點是在模擬計算分析時可以考慮基坑的整體型狀。

針對理論方法及有限元法的特點，本文分別采用理論方法及有限元方法對深基坑支護進行計算分析。

2.1 理論計算及結(jié)果

由于極限平衡法常用于土層較均勻、周圍環(huán)境較穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)，不適應(yīng)大型復(fù)雜、空間效應(yīng)明顯的基坑，理論計算采用彈性地基反力法。

基坑內(nèi)開挖面以下作用在地連墻面的彈性抗力根據(jù)地基土的性質(zhì)和施工條件等因素計算，并通過水平彈簧支座來模擬?；娱_挖面以下，水平向彈簧支座的壓縮彈簧剛度KH和垂直向彈簧支座的壓縮彈簧剛度KV，應(yīng)考慮基坑土體加固、基坑降水以及工程樁布置的影響，按下列公式計算：

式中：

KH——土體水平向壓縮彈簧剛度（kN/m）；

KV——土體垂直向壓縮彈簧剛度（kN/m）；

圖3 板式支護體系圍護墻計算圖

理論計算時支撐尺寸采用630 mm 鋼管（壁厚6 mm），地連墻正負彎矩分別為+1 797 kNm、-2 008.9 kNm。

2.2 有限元計算及結(jié)果

1）結(jié)構(gòu)模型

Midas-GTS 是專業(yè)巖土有限元計算軟件，基本涵蓋了巖土方面所有的分析計算功能，經(jīng)過國內(nèi)外很多大型工程的運用和驗算，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。本工程采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型進行模擬[3]。模型網(wǎng)格劃分見圖4.

圖4 模型網(wǎng)格劃分圖

2）支撐體系選擇

由于本基坑支護結(jié)構(gòu)作為一種臨時性結(jié)構(gòu)，在保證基坑及鄰近工程安全的前提下必須考慮其經(jīng)濟性。因此通過Midas-GTS 分別對550 mm 鋼管（壁厚6 mm）、630 mm 鋼管（壁厚6 mm）、750 mm 鋼管（壁厚8 mm）以及750 mm 鋼管（壁厚10 mm）支撐進行計算。通過統(tǒng)計地連墻位移及彎矩、鋼支撐軸力及基坑底面隆起量確定最終選擇方案。

3）不同剛度支撐分析

計算結(jié)果見表1。

表1 計算結(jié)果對比表

通過計算結(jié)果可知，隨著支撐剛度的增大，地連墻最大水平位移明顯減??；地連墻最大正彎矩增大，最大負彎矩減小。同樣，隨著支撐剛度的增大，支撐軸力加大，基坑底面隆起減小。此結(jié)論與前人[4]計算結(jié)果基本吻合，通過計算結(jié)果統(tǒng)計表可以看出，隨著支撐剛度的增加，地連墻水平位移、最大負彎矩以及基坑底面隆起的減小幅度越來于越小，因此實際工程中可以據(jù)此來選擇合理經(jīng)濟的支撐方案。

3 理論計算與有限元計算對比分析

采用彈性地基反力法對本項目基坑支護結(jié)構(gòu)進行計算，地連墻彎矩計算結(jié)果對比見表2。

表2 地連墻彎矩對比表

由理論計算與有限元模擬計算結(jié)果可以看出，理論計算時地連墻彎矩較有限元模擬計算時小，計算結(jié)果差異主要是因為理論計算為二維平面計算，未考慮基坑的空間效應(yīng)。本工程基坑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用有限元三維計算結(jié)果更加真實可靠。

4 開挖過程支撐內(nèi)力分析

經(jīng)過綜合考慮，本工程最終選用630 mm 鋼管（壁厚6 mm）作為支撐，采用有限元法對方案不同開挖過程中的各層支撐內(nèi)力計算結(jié)果見表3。通過結(jié)果可以很明顯的看出，隨著土層不斷開挖，各層支撐軸力逐漸變大；當(dāng)開挖完成后，最大支撐軸力出現(xiàn)在第二層，第一層支撐軸力略大于第三層均小于第二層。由此可以看出，在基坑開挖完成并依次澆筑混凝土底板及側(cè)壁時應(yīng)按支撐內(nèi)力計算結(jié)果分層拆除支撐，并在支撐內(nèi)力較大處設(shè)置臨時換撐，以滿足基坑安全穩(wěn)定需要。本工程臨時鋼換撐結(jié)構(gòu)見圖5。

表3 開挖過程各層支撐內(nèi)力表

圖5 換撐布置圖

5 結(jié)語

1）本文通過對不同剛度的支撐體系進行計算分析，得出了剛度變化對地連墻及支撐內(nèi)力的影響，并對最終支撐方案的選擇提供了指導(dǎo)。

2）對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間效應(yīng)明顯的基坑，應(yīng)采用三維模型計算，其計算結(jié)果更加真實可靠。

3）通過計算可以看出，隨著支撐剛度的增大，地連墻最大水平位移明顯減小；地連墻最大正彎矩增大，最大負彎矩減小。同樣，隨著支撐剛度的增大，支撐軸力加大，基坑底面隆起減小。

4）由計算結(jié)果可以看出，隨著支撐剛度的增加，地連墻水平位移、最大負彎矩以及基坑底面隆起的減小幅度越來于越小，即隨著支撐剛度的不斷增加，對地連墻受力的改善幅度越來越小，因此實際工程中可以據(jù)此來選擇合理經(jīng)濟的支撐方案。

5）本文通過對基坑支護進行三維數(shù)值計算，得出支撐剛度與地連墻及支撐內(nèi)力之間變化的關(guān)系，在本工程中產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益，并對類似工程提供了借鑒。