鄰近公路深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用分析

鄧盛雙 （中交一公局第一工程有限公司，北京 102205）

1 引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善，新建工程與既有工程會出現(xiàn)交叉。新建深基坑施工會改變原有地層應(yīng)力及變形，對于在既有線路、建筑物等附近施工的基坑工程影響尤為嚴(yán)重。既有公路常會受到周邊環(huán)境影響，基坑開挖會導(dǎo)致既有公路橫向及沉降變形，若施工方法或保護(hù)措施不當(dāng)，將導(dǎo)致既有線路變形，造成財產(chǎn)損失及安全隱患。

隨著大量特殊基坑工程的出現(xiàn)，對基坑支護(hù)體系及復(fù)雜環(huán)境條件影響的研究越來越多。孔茜等[1]通過數(shù)值模擬及監(jiān)測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)鋼支撐滯后施工將導(dǎo)致冠梁彎矩大大增加，且開挖交界處各監(jiān)測指標(biāo)最大。周政等[2]通過數(shù)值分析手段研究得到鄰域超大附加荷載對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形形態(tài)的空間效應(yīng)影響成正相關(guān)，鄰域超大荷載會削弱基坑坑角效應(yīng)，影響范圍成倍增加。劉暢等[3]從受力角度對斜直交替支護(hù)樁體系進(jìn)行理論和實(shí)測分析，得出斜樁傾斜20°較為合理，一斜一直布置形式占用較小空間并取得良好變形控制效果。李廣等[4]針對緊鄰建筑物狹小空間基坑進(jìn)行逆作法拉森鋼板樁墻支護(hù)體系設(shè)計，主體結(jié)構(gòu)水平板提高整體剛度，水平抗力大，保證了支護(hù)效果。

對于某鄰近公路環(huán)境條件的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計算及有限元分析，確保結(jié)構(gòu)體系滿足要求，并通過監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析驗證，保證鄰近公路運(yùn)營不受影響。

2 工程概況

某鄰近公路基坑尺寸為14.9m×10m，基坑需求設(shè)計深度取值7.85m。設(shè)計選用IV型拉森鋼板樁，同時考慮鋼板樁頂超出地面長度0.5m以及鋼板樁嵌入土體深度6.65m，總長取為15m?；臃秩伍_挖，設(shè)計2道內(nèi)支撐，第一道圍檁采用單拼400×400×13×21H型鋼，第二道圍檁采用雙拼400×400×13×21H型鋼，第一道內(nèi)支撐采用400×400×13×21H型鋼，第二道內(nèi)支撐采用609×16mm鋼支撐。設(shè)置內(nèi)支撐的水平間距為4m，第一道內(nèi)支撐距地面1m，第二道內(nèi)支撐距地面4m。

3 基坑設(shè)計分析

3.1 結(jié)構(gòu)計算

內(nèi)力計算方法采用增量法，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.00，剛度折減系數(shù)K取0.85[5]。土層數(shù)劃分為5層，內(nèi)外側(cè)降水最終深度為22.9m，內(nèi)力計算時主動計算坑外土壓力，彈性法計算采用m法。鋼板樁基坑支護(hù)體系進(jìn)行穩(wěn)定計算時把內(nèi)支撐考慮在內(nèi)，確定地層信息時考慮孔隙水壓力。進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計算時分別考慮對基坑支護(hù)底面計算彎矩，以及最底層支撐位置。

位移及內(nèi)力計算結(jié)果如圖1所示，豎坐標(biāo)為基坑深度（m），橫坐標(biāo)正向為基坑內(nèi)側(cè)，負(fù)向為基坑外側(cè)，根據(jù)經(jīng)典法（紅色線所示）計算結(jié)果最大彎矩包括基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)，分別為104.39kN.m和179.44kN.m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受到最大的剪力為102.76kN；彈性法（藍(lán)色線所示）計算結(jié)果：最大彎矩包括基坑內(nèi)側(cè)和外側(cè)，分別為 151.44kN.m 和 100.95kN.m，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到最大的剪力為133.99kN，最大位移為15.12mm。

圖1 內(nèi)力位移隨開挖深度包絡(luò)圖

對于地表沉降，采用三種方法進(jìn)行理論計算，計算結(jié)果如圖2所示，其中拋物線法計算結(jié)果最大，其地表沉降最大值為28mm；指數(shù)法計算結(jié)果最小，其地表沉降計算結(jié)果為15mm；三角形法計算結(jié)果略大于指數(shù)法，其地表沉降計算結(jié)果為19mm。

圖2 地表沉降圖

彎矩及剪力折減系數(shù)取1，荷載分項系數(shù)取1.25，選擇彈性法計算，則內(nèi)力取值如下表所示。

內(nèi)力取值表

根據(jù)荷載分項系數(shù)確定內(nèi)力計算值，分別計算基坑內(nèi)側(cè)方向以及基坑外側(cè)方向的抗彎性能(此處忽略軸力)，則有σ內(nèi)=Mn/Wx=189.302/(2270.000×10-6)=83.393(MPa)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性驗算在運(yùn)用有效應(yīng)力法條件下采用瑞典條分法，條分法用到的土條寬度取0.50m。通過計算基坑模型滑裂面的相關(guān)數(shù)據(jù)得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性安全系數(shù)Ks=1.37>1.30，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)支護(hù)類型、材料抗力及錨固力，計算對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)底面彎矩的抵抗傾覆的穩(wěn)定性進(jìn)行，通過被動土壓力以及支點(diǎn)力對圍護(hù)樁底部的抵抗傾覆的彎矩與主動土壓力對圍護(hù)樁底部的傾覆彎矩的比值，算得開挖支護(hù)過程中最小安全系數(shù)發(fā)生在第一次完成且支護(hù)前，為4.21，大于1.2，滿足要求。

根據(jù)基坑被動土壓區(qū)抵抗傾覆作用力的彎矩總和與主動土壓區(qū)抵抗傾覆作用力的彎矩總和的比值，計算最底面一層支撐的即踢腳破壞的抵抗傾覆的穩(wěn)定性，算得開挖支護(hù)過程中最小安全系數(shù)發(fā)生在開挖完成后，為2.02，大于1.2，滿足要求。

支護(hù)底部及深度15.7m處，抗隆起系數(shù)分別為5.266和2.733，大于1.6，滿足要求。根據(jù)作用在鋼板樁入土段長度的基坑內(nèi)側(cè)的土壓力均遠(yuǎn)小于被動土壓區(qū)合力，入土段長度基坑內(nèi)側(cè)土壓力驗算滿足要求。

3.2 內(nèi)支撐計算

利用Midas Civil2020有限元分析軟件建立模型，對圍檁支撐受力及變形進(jìn)行計算。

第一道鋼支撐間距4m，取最大支撐軸力為 166.01×1.25=207.5kN，轉(zhuǎn)化為圍檁線荷載為51.9kN/m，有限元分析如圖3所示。由計算可知，基坑圍檁及內(nèi)支撐最大位移為1.3mm＜L/400=10mm，符合要求；基坑圍檁及內(nèi)支撐最大應(yīng)力為 33.9Mpa＜215Mpa，滿足要求。

圖3 第一道支撐計算云圖

第二道支撐圍檁為雙拼400H型鋼，支撐為φ609×16鋼支撐，間距4m，取最大支撐軸力為767.85×1.25=959.8kN，轉(zhuǎn)化為圍檁上的線荷載為239.95kN/m。有限元分析如圖4所示。由計算可知，基坑圍檁及內(nèi)支撐最大位移為 3.2mm＜L/400=10mm，符合要求；基坑圍檁及內(nèi)支撐最大應(yīng)力為81.5Mpa＜215Mpa，滿足要求。

圖4 第二道支撐計算云圖

3.3 牛腿計算

利用Midas Civil2020有限元分析軟件建立模型，計算牛腿變形及應(yīng)力情況，計算結(jié)果如圖5和圖6所示。采用21mm厚鋼板切割成的四邊形做為鋼牛腿，尺寸為550mm×250mm×150mm，焊接固定在鋼板樁上。按照實(shí)際牛腿位置分別計算各牛腿受力，得出第一道支撐牛腿最大支反力為13.6kN，牛腿最大應(yīng)力為10.5Mpa＜215Mpa，滿足要求；牛腿最大變形為0.05mm，滿足要求。第二道支撐牛腿最大支反力為21.6kN，牛腿最大應(yīng)力為 16.7Mpa＜215Mpa，滿足要求；牛腿最大變形為0.09mm，滿足要求。

圖5 第一道支撐牛腿計算云圖

圖6 第二道支撐牛腿計算云圖

4 基坑監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，并結(jié)合本基坑工程的支護(hù)形式及周邊環(huán)境的特點(diǎn)，對本工程進(jìn)行鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層樁體水平方向位移、基坑周邊地表的沉降變化、鋼板樁樁頂?shù)乃郊柏Q向位移、支撐軸力等現(xiàn)場監(jiān)測[6]。重點(diǎn)對鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層樁體水平方向位移及周邊地表的沉降變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測

由于基坑北側(cè)鄰近既有公路，因此選取基坑?xùn)|部測點(diǎn)為研究對象，東側(cè)共布置5根測斜管，本文選取樁身位移累計最大值C2測斜管進(jìn)行分析，并繪制支護(hù)樁深層水平位移曲線如圖7所示（圖中“+”表示坑外，“-”表示坑內(nèi)）。

圖7 圍護(hù)樁深層水平位移曲線

由圍護(hù)樁深層水平位移曲線可以得到：①基坑開挖土方后，坑內(nèi)土體抗力減小，基坑外側(cè)土體有向坑內(nèi)運(yùn)動趨勢；②圍護(hù)樁深層水平位移累積最大值為-2.8mm，發(fā)生在鄰近公路一側(cè)C2測斜管位置；③基坑開挖施工對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移影響不大，所有監(jiān)測點(diǎn)累積變化均在允許范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，整體符合樁中部向坑內(nèi)變形規(guī)律。個別點(diǎn)突變除考慮人為誤差外，更多是由于現(xiàn)場坑邊堆載變化導(dǎo)致，部分點(diǎn)、部分時間段因遮擋測值出現(xiàn)間斷，但整體規(guī)律一致。

4.2 地表沉降監(jiān)測

選取基坑?xùn)|部一排地表沉降點(diǎn)進(jìn)行分析，監(jiān)測點(diǎn)分別距離基坑?xùn)|側(cè)5m、10m、15m、20m和25m，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化曲線如圖8所示（圖中“+”表示上升，“-”表示下沉）。

圖8 地表沉降累計變化趨勢圖

從周邊各地表沉降監(jiān)測點(diǎn)垂直位移累積變化曲線圖可以得到：①監(jiān)測點(diǎn)DB1-1的累積變化最大，累積變化值為-6.5mm；②監(jiān)測點(diǎn) DB1-5、DB1-6的沉降變化很小，說明基坑土方開挖對土體的影響范圍主要在兩倍基坑深度范圍內(nèi)；③通過地表沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，所有監(jiān)測點(diǎn)累積變化均在允許范圍內(nèi)，曲線整體變化平緩穩(wěn)定，個別點(diǎn)突變是由于現(xiàn)場坑邊堆載變化及天氣原因?qū)е?，但整體規(guī)律一致。

5 結(jié)論

采用Midas Civil等有限元分析軟件對某鄰近公路深基坑支護(hù)工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算、內(nèi)支撐計算及牛腿計算，并通過監(jiān)測進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出如下結(jié)論。

①地表沉降數(shù)值模擬計算結(jié)果較實(shí)測值偏大，說明理論計算安全系數(shù)較大，實(shí)際施工中可結(jié)合地質(zhì)情況進(jìn)行優(yōu)化。

②圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移規(guī)律整體符合基坑中部向內(nèi)側(cè)變形趨勢，基坑土方開挖對土體的影響范圍主要在兩倍基坑深度范圍內(nèi)。

③基坑變形對基坑周邊堆載敏感，施工中應(yīng)盡量避免大型機(jī)械設(shè)備、材料等停放于基坑周邊。