基坑開(kāi)挖支護(hù)體系優(yōu)化

曹俊杰 董 波 陳培帥

(1.太倉(cāng)市建筑安全監(jiān)督站，江蘇 太倉(cāng) 215400;2.中交二航局技術(shù)中心，湖北 武漢 430040)

1 概述

依托工程為太倉(cāng)市萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)深基坑工程，勘察資料表明開(kāi)挖范圍內(nèi)的土層種類(lèi)繁多，主要包括填土、粉質(zhì)粘土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土夾粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土。其中場(chǎng)地淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土范圍最大，具高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度的工程性質(zhì)，為不良工程地質(zhì)層，對(duì)基坑開(kāi)挖及坑壁穩(wěn)定性有不利影響，易導(dǎo)致基坑變形、邊坡失穩(wěn)、地面沉降甚至塌陷等現(xiàn)象。在保證基坑安全的前提下，如何對(duì)支護(hù)或者開(kāi)挖方案進(jìn)行優(yōu)化是本文的研究重點(diǎn)［1，2］。

2 有限元模型

太倉(cāng)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)基坑最大開(kāi)挖深度約10.75 m，取基坑一側(cè)沉降影響邊界長(zhǎng)度為2.5倍的基坑開(kāi)挖深度，模型高度取圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部以下7 m。如圖1所示，建立開(kāi)挖深度最大標(biāo)段的基坑有限元數(shù)值仿真模型，分析深大基坑的受力及變形機(jī)理。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排鉆孔灌注樁形式(φ850@1 200)，前后排樁間距為5.15 m，中間部位采用水泥土加固，作為止水帷幕，灌注樁和總長(zhǎng)度約為22.8 m，每間隔3.6 m在灌注樁頂部設(shè)置連梁(800×800@3 600)。采用三道水平旋噴土錨(φ500@1 200)內(nèi)支撐體系，分別設(shè)置在放坡底標(biāo)高以下2 m，4.5 m和7 m處。

3 基坑支護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 位移和受力極值分析

太倉(cāng)市萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)基坑工程按照一級(jí)基坑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)建筑基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)可知［3-5］，基坑側(cè)壁允許的最大水平位移為10.75 m ×0.18%=19.35 mm，地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為10.75 m ×0.15%=16.13 mm。參照依托工程設(shè)計(jì)文件，鉆孔灌注樁的彎矩承載能力設(shè)計(jì)值為909.48 kN·m(基坑內(nèi)側(cè))和386.28 kN·m(基坑外側(cè))，三道土錨的拉力承載能力設(shè)計(jì)值分別為148.88 kN，293.50 kN和247.65 kN，本文對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，將灌注樁的彎矩承載能力設(shè)計(jì)值和土錨的拉力承載力設(shè)計(jì)值分別定義為極限承載力優(yōu)化指標(biāo)。

3.2 原方案下基坑變形及受力

基坑開(kāi)挖后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)外土壓力差的作用下產(chǎn)生變形，從而使得基坑土體發(fā)生變形，位移計(jì)算結(jié)果表明:基坑最大水平位移發(fā)生在基坑全部開(kāi)挖完成后，變形值為10.3 mm，小于一級(jí)基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)19.35 mm;地表最大沉降發(fā)生在基坑全部開(kāi)挖完成后，變形值為3 mm左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一級(jí)基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)16.13 mm。

圖2為排樁彎矩云圖，可以看出，基坑排樁內(nèi)側(cè)最大彎矩值為538 kN·m，外側(cè)為163 kN·m，鉆孔灌注樁內(nèi)側(cè)的極限彎矩承載能力為909.48 kN·m，外側(cè)為386.28 kN·m，因而排樁受力符合要求。

圖1 計(jì)算模型

圖2 彎矩云圖

圖3為三道土錨的軸力云圖，可以看出，第一道土錨最大軸力為79 kN，第二道土錨最大軸力為141 kN，第三道土錨最大軸力為106 kN，三道土錨的抗拉承載能力設(shè)計(jì)值分別為148.88 kN，293.50 kN和247.65 kN，因而土錨受力符合要求。

3.3 原方案下基坑變形及受力

3.3.1 方案優(yōu)化

由上節(jié)計(jì)算結(jié)果可知，基坑支護(hù)效果比較理想，基坑變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均比較保守，可以進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，參照以往的工程經(jīng)驗(yàn)［6，7］，擬對(duì)后排樁間距進(jìn)行優(yōu)化，將初步設(shè)計(jì)方案中的排樁1.2 m間距變更為3.6 m，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均不做更改，優(yōu)化后的計(jì)算模型如圖4所示。

圖3 第四層土體開(kāi)挖

圖4 優(yōu)化后計(jì)算模型

3.3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果表明:支護(hù)方案變更后基坑的變形規(guī)律與變更前相同，基坑最大水平位移為17.19 mm，較變更前增大了6.89 mm，但仍小于一級(jí)基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn);變更后地表沉降較變更前增大了1.97 mm，地表最大沉降為4.97 mm，遠(yuǎn)小于一級(jí)基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)16.13 mm;基坑排樁內(nèi)側(cè)最大彎矩值為648 kN·m，外側(cè)為235 kN·m，小于鉆孔灌注樁內(nèi)側(cè)的極限彎矩承載能力，符合規(guī)范要求;支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后第一道土錨最大軸力為86.7 kN，第二道土錨最大軸力為144.1 kN，第三道土錨最大軸力為120.7 kN，符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托太倉(cāng)萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)深基坑工程，采用有限元數(shù)值分析手段，通過(guò)對(duì)基坑變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將后排樁間距由原1.2 m間距調(diào)整為3.6 m，計(jì)算結(jié)果表明:圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降、排樁彎矩和土錨拉力都有一定程度的增大，但均在設(shè)計(jì)控制范圍之內(nèi)，說(shuō)明支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案是可行的。

［1］朱敬軍，蘇繼榮，顏特亮.淺談沿海地區(qū)某深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)［J］.山西建筑，2010，36(21):81-82.

［2］陶春艷.武漢地鐵循禮門(mén)車(chē)站基坑施工穩(wěn)定性分析［J］.科技資訊，2011(11):28-30.

［3］劉建國(guó)，方 磊，婁承濱.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與受力分析［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2011(5):79-80.

［4］曾 榕.基于FLAC3D的基坑支護(hù)開(kāi)挖過(guò)程數(shù)值模擬［J］.山西建筑，2008，34(34):116-117.

［5］黃建華，徐 偉.深基坑凍結(jié)排樁支護(hù)變形性狀分析［J］.福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(3):16-17.

［6］周瑞忠，覃海嬰.樁土共同作用原理與變形土體側(cè)壓力研究［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1999(6):112.

［7］孫 鈞，袁金榮.深大基坑施工變形的智能預(yù)測(cè)與控制［J］.地下工程與隧道，2000(4):206-207.