軟弱土地基中深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選形案例分析

金 怡 蔣偉林 申文明*

(1.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 311231;2.杭州江干區(qū)城市建設(shè)綜合開(kāi)發(fā)有限公司，浙江杭州 310016;3.中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，浙江杭州 310000)

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要因地制宜，選擇安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工可行性最優(yōu)的支撐體系與圍護(hù)體系。深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選形問(wèn)題需要綜合考慮土質(zhì)條件、基坑的幾何形狀等多種因素，很多學(xué)者積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，提出了優(yōu)化分析方法［1-9］。本文通過(guò)工程實(shí)例分析，研究軟土地基中深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選形問(wèn)題。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

某深基坑項(xiàng)目位于浙江沿海軟土地基中，該項(xiàng)目為2層地下室，基坑開(kāi)挖深度10 m?；悠矫娌贾萌鐖D1所示，基坑總體呈正方形，周長(zhǎng)約440 m。四周緊靠市政道路，有大量市政管線(xiàn)需要保護(hù)，對(duì)基坑施工變形控制有較高要求。

圖1 基坑平面圖

1.2 地質(zhì)條件

場(chǎng)質(zhì)屬第四系濱海淤積平原區(qū)，地形平坦開(kāi)闊，地貌類(lèi)型單一。場(chǎng)地土質(zhì)屬于典型的海相沉積軟土，由上往下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，其中開(kāi)挖面附近主要以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主。土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地質(zhì)參數(shù)

1.3 圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)場(chǎng)地土質(zhì)條件以及基坑的開(kāi)挖深度，設(shè)計(jì)人員選用了φ800@1 000的鉆孔灌注樁排樁+兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐圍護(hù)方案。該方案的安全性有較充分的保證，其不足之處在于兩道支撐的造價(jià)較高、支撐對(duì)土方開(kāi)挖施工帶來(lái)不便。為此建設(shè)方要求對(duì)圍護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，希望采用一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，以降低造價(jià)、加快施工進(jìn)度。

2 排樁擋土結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

排樁擋土結(jié)構(gòu)的受力變形分析采用彈性地基法，土體計(jì)算參數(shù)如表1所示。優(yōu)化前的圍護(hù)方案為:φ800@1 000的鉆孔灌注樁排樁，樁嵌固深度14 m，樁身抗拉主筋14Φ25;第一道鋼筋混凝土支撐的中心距地面2.5 m;第二道鋼筋混凝土支撐的中心距地面7.1 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形計(jì)算結(jié)果如圖2所示:最大水平位移41.77 mm，最大變形深度位于開(kāi)挖面處;最大樁身計(jì)算彎矩653.76 kN·m。

圖2 兩道支撐方案排樁受力變形計(jì)算結(jié)果

若改為一道支撐，樁所承受的彎矩會(huì)大幅增加。在不改變樁徑的條件下，最大水平位移達(dá)60 mm，最大樁身計(jì)算彎矩1 075 kN·m，須配24Φ25，配筋率達(dá)到2.4%。因此需要增大樁徑，提高樁身抗彎承載力和抗彎剛度，減小配筋率以及基坑變形。優(yōu)化后的圍護(hù)方案:φ1 000@1 200的鉆孔灌注樁排樁，樁嵌固深度17 m，樁身抗拉主筋26Φ25;鋼筋混凝土支撐的中心距地面3.3 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形計(jì)算結(jié)果如圖3所示:最大水平位移46.25 mm，最大變形深度位于開(kāi)挖面處;最大樁身計(jì)算彎矩1 514.98 kN·m。

3 支撐體系優(yōu)化分析

設(shè)計(jì)支撐布置形式為4個(gè)大角撐，角撐自身的剛度和穩(wěn)定性非常好，不足的是角撐之間相互獨(dú)立，支撐整體受力可能會(huì)偏移。設(shè)計(jì)支撐布置形式如圖4所示，四個(gè)獨(dú)立的角支撐體系，每個(gè)體系有6跨支撐，跨間水平距離8.6 m，支撐體系的受力分析結(jié)果如圖6，圖8，圖10所示。根據(jù)基坑的平面幾何形狀，基本呈正方形，非常有利于環(huán)形支撐的布置。環(huán)形支撐布置如圖5所示，支撐體系的受力分析結(jié)果如圖7，圖9，圖11所示。支撐受力變形分析軟件為大型商業(yè)有限元軟件ANSYS，支撐受力變形分析模型為空間梁?jiǎn)卧蚣芙Y(jié)構(gòu)模型，混凝土材料本構(gòu)模型為線(xiàn)彈性模型，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30;彈性模量30 MPa?？蚣芙Y(jié)構(gòu)四周施加側(cè)向線(xiàn)荷載，壓頂梁與圍檁施加豎向約束和側(cè)向約束，立柱位置(支撐梁交點(diǎn))施加豎向約束。

圖3 一道支撐方案排樁受力變形計(jì)算結(jié)果

圖4 角支撐布置方案

圖5 環(huán)形支撐布置方案

圖6 角支撐變形（單位：mm）

圖7 環(huán)形支撐變形（單位：mm）

圖8 角支撐軸力（單位：N）

圖9 環(huán)形支撐軸力（單位：N）

比較兩種形式支撐的受力變形分析結(jié)果可以看出:環(huán)形支撐體系的整體穩(wěn)定性較角撐體系有明顯改善，受力均勻，不會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情況，也沒(méi)有受力集中位置，充分發(fā)揮環(huán)形支撐整體性好的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)圍檁彎矩也顯著減小、分布均勻。此外環(huán)形支撐跨數(shù)更少，因此支撐、立柱與立柱樁的數(shù)量減少，經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。環(huán)形支撐體系的另一優(yōu)點(diǎn)，支撐間距大、跨數(shù)少，極大地減少了支撐對(duì)土方開(kāi)挖的影響。

圖10 角支撐圍檁彎矩（單位：N·m）

圖11 環(huán)形支撐圍檁彎矩（單位：N·m）

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)典型軟弱土地基中深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選形案例分析，得到以下結(jié)論:1)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要兼顧安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工可行性，通過(guò)對(duì)比分析獲得最優(yōu)方案。2)減少支撐道數(shù)，排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的彎矩會(huì)大幅增加，須通過(guò)增大樁徑，提高樁身抗彎承載力和抗彎剛度的方法，來(lái)減小樁身配筋率以及基坑變形。3)根據(jù)基坑幾何形狀，合理布置支撐體系，有利于增強(qiáng)支撐體系的整體穩(wěn)定性，避免發(fā)生扭轉(zhuǎn)、受力集中等情況。4)環(huán)形支撐體系的整體性要優(yōu)于角撐體系，環(huán)形支撐體系的受力均勻、穩(wěn)定性好，同時(shí)環(huán)形支撐跨數(shù)少、經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)，也極大地減少了支撐對(duì)土方開(kāi)挖的影響。

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