深基坑兩種常用計算方法比較

王陳

（南通市交通建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司，江蘇南通 226000）

深基坑兩種常用計算方法比較

王陳

（南通市交通建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司，江蘇南通 226000）

以南通市某高架橋主墩承臺深基坑施工為例,在確定施工總體思路和施工順序的基礎(chǔ)上,運用理正深基坑和MIDAS/Civil軟件分別建立力學(xué)模型,依據(jù)施工過程確定計算工況,對鋼板樁單元、圍檁與支撐構(gòu)件的受力狀況進(jìn)行計算,驗算了模型的受力情況及穩(wěn)定性，并對兩者計算結(jié)果進(jìn)行對比，并分析兩種計算方法的適用條件和優(yōu)劣。

橋梁；深基坑支護(hù)；IV型拉森鋼板樁；仿真分析

1　概　述

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在深基坑施工計算中，仿真技術(shù)對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬計算也越來越常用，并逐漸替代人工手算。常用的軟件中，深基坑專用計算軟件有理正深基坑、啟明星等，有限元分析軟件有Midas、Sap等。

本文基于同樣的邊界條件和荷載取值，選用理正深基坑和Midas對本基坑分別計算，并對兩個軟件的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，并得出結(jié)論。其中，嵌固端都采用彈性理論，使用m法土彈簧模擬，基坑外側(cè)土壓力計算方法都采用主動土壓力進(jìn)行計算。

南通市長江路西延工程Ⅲ標(biāo)第2聯(lián)箱梁跨規(guī)劃提水泵站，為51.7 m+70 m+40.6 m大跨徑三跨連續(xù)梁橋，分南北兩幅。主跨共計4個墩柱承臺，分別為3#、3`#、4#、4`#，坐落于既有河堤路兩側(cè)。承臺底標(biāo)高為-5.99 m，既有河堤路及防洪堤標(biāo)高約為7 m，4#墩位置為方便鉆孔樁施工，已將地面標(biāo)高降至4 m左右。3#和3`#墩位置地面標(biāo)高約為4.5 m左右。具體標(biāo)高見表1。

表1　承臺參數(shù)

承臺基坑開挖深度較深，屬于深基坑施工。施工時采用進(jìn)口SP-Ⅳ拉森鋼板樁圍護(hù)，圍檁采用400 mm×400 mmH型鋼，斜撐采用609 mm×10 mm鋼管撐。

由于四個深基坑開挖深度相同，尺寸相近，故以最大的3`#基坑為例進(jìn)行闡述和計算，開挖尺寸為18.4 m×18.4 m，其余三個基坑施工參照3`#基坑。

2　計算參數(shù)

基坑支護(hù)體系拉森鋼板樁，樁長18m，基坑深度為10.5 m（含0.5 m封底混凝土），錨固深度7.5 m。

承臺尺寸為16.4 m×16.4 m×3.8 m，考慮1.0 m的工作面，基坑開挖尺寸為18.4 m×18.4 m。地面標(biāo)高為4.0 m，承臺底標(biāo)高為-5.99 m，考慮基坑底50 cm厚封底混凝土，基坑開挖深度為10.5 m。降水深度為11.5 m，見表2～表4及圖1。

表2　土層參數(shù)

3　建模思路[1-6]

3.1MIDAS/Civil建模思路

對于MIDAS/Civil的鋼板樁有限元模型,通過施工階段分析功能，在不同工況下分別激活和鈍化該工況的內(nèi)撐構(gòu)件、嵌固端土彈簧彈模大小和分布、土壓力分布，在單元建立上，用梁單元模擬拉森鋼板樁、圍檁、對撐和角撐;用實體單元模擬封底混凝土。參考其他鋼板樁圍堰計算模型的邊界條件,結(jié)合工程實際情況,按焊接處理對撐、角撐與圍檁結(jié)點,圍檁與鋼板樁的連接只約束圍檁的平動和沿鋼板樁平面的轉(zhuǎn)動,鋼板樁與封底混凝土的連接采用固接。最終求得各部位在不同工況下的受力狀態(tài)。

表3　工況信息

表4　相關(guān)荷載和邊界條件計算方法

圖1　開挖工況及土層信息（單位：m）

3.2理正深基坑建模思路

先通過單元計算，對拉森鋼板樁的受力情況進(jìn)行求解，再導(dǎo)入單元計算參數(shù)，對整個基坑進(jìn)行整體設(shè)計建模計算，見圖2。

圖2　理正深基坑與Midas建立的本工程3D模型圖

4　單元計算對比

理正深基坑與Midas單元計算結(jié)果對比見表5。

5　基坑支撐體系最不利受力計算

基坑支撐體系中，圍檁采用400 mm×400 mm× 13 mm×21 mm的H型鋼，斜撐采用609×10 mm鋼管撐，通過理正深基坑和midas/civil三維建模見圖3。

理正深基坑三維計算模型 midas三維有限元模型

圍檁和鋼管撐最不利工況受力計算見表6。

6　對比分析

（1）在本工程深基坑拉森鋼板樁的單元受力計算和內(nèi)撐受力計算中，理正深基坑和Midas的計算基本吻合，但是彎矩圖存在差別。

（2）原因分析

由于在理正深基坑單元計算中，每一層所有內(nèi)部支撐剛度都為定值（模型中一般按照最長的鋼管撐計算內(nèi)撐剛度，沒有考慮內(nèi)撐長度不同引起的剛度變化，偏不利），而在Midas有限元模型中，每一根鋼管撐的剛度則分別按照實際情況求算，所以，當(dāng)開挖到較深位置時，由于內(nèi)撐剛度的差別，兩者在內(nèi)撐支撐位置的位移存在較大差別，導(dǎo)致單元計算中理正深基坑的彎矩結(jié)果大于Midas求算結(jié)果。

7　結(jié)論與建議

（1）理正深基坑與Midas/Civil對深基坑的計算結(jié)果整體接近，與現(xiàn)場實際狀況基本吻合，在施工驗算中都適用。

表5　理正深基坑與Midas單元計算結(jié)果對比

圖3　理正深基坑和Midas/Civil三維模型

表6　圍檁和鋼管撐最不利工況受力計算

（2）在計算過程中可以看出，理正深基坑對模型受力的取值比實際更偏向于安全，實際荷載取值較主動土壓力偏大。

（3）理正深基坑作為深基坑專業(yè)計算軟件，模型為現(xiàn)成框架，荷載自動生成，施工階段自動生成，計算簡便快速精確，但模型限制較多，部分參數(shù)取值不可修改，土層自動生成的荷載不可修改，對水面比土層高的河道內(nèi)狀況不能直接模擬，且對于四面受力不同的狀況無法考慮基坑整體在不均勻受力下的狀況。

（4）Midas/Civil作為有限元計算軟件，沒有現(xiàn)成模型框架，每一個結(jié)構(gòu)、每一個邊界條件、每一個荷載、每一個施工階段，都需要自己取值，自己建模，計算繁瑣、費時費力，但該軟件靈活性高，各類取值都可自由修改，各個荷載可隨意變化，且對水中基坑的水壓力的模擬較為方便，可以考慮四周受力不同時候的基坑整體狀況，且Midas可以直接輸出構(gòu)件應(yīng)力，驗算構(gòu)件較為方便。

綜上，理正深基坑更適用于陸地上、四周土質(zhì)接近的基坑，其易上手的特性也更適合初學(xué)者。Midas/Civil更適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜、四周環(huán)境不同或是位于水中的基坑，但其復(fù)雜的建模和加載過程需要使用者有大量時間、較高的專業(yè)知識水平和軟件操作水平。

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表1　“廣州市市政工程設(shè)計研究院”項目基坑各監(jiān)測項目的最大累計變化值結(jié)果表

U443.16

B

1009-7716（2016）04-0142-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.045

2016-01-06

王陳（1980-），男，江蘇南通人，工程師，從事項目監(jiān)理工作。