基于強(qiáng)度折減法的條形基坑圍護(hù)深度優(yōu)化研究

王瀟宇 魯克文 管 飛

(1.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200000；2.上海市地礦工程勘察院，上海 200000；3.上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200000)

0 引言

軟土地區(qū)板式支護(hù)基坑的大量工程實(shí)踐表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深度(由插入比決定)往往由圓弧滑動模式計算的基坑抗隆起穩(wěn)定性驗算控制[1,2]。計算簡圖通常見圖1。而窄條基坑因?qū)挾菳較小，坑底以下無法形成完整的滑弧，因此規(guī)范方法不適用于窄條形基坑，而且工程實(shí)踐也反映現(xiàn)行規(guī)范計算結(jié)果通常偏于保守[3,4]。

近年來，有限元強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定問題中得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸推廣到基坑的穩(wěn)定性分析中[5]。以圓弧滑動模式計算的基坑抗隆起穩(wěn)定性，若忽略圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度的影響，也可以認(rèn)為是指定滑裂面的整體穩(wěn)定性計算，與采用瑞典條分法進(jìn)行的整體穩(wěn)定性計算只有計算方法上的區(qū)別。因此，采用有限元強(qiáng)度折減法對于研究基坑抗隆起穩(wěn)定性有良好的適用性并已取得了一定的成果[5-7]。

本文使用二維有限元模擬了一個采用預(yù)制地下連續(xù)墻圍護(hù)的窄條基坑施工的全過程，并采用強(qiáng)度折減法重點(diǎn)研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對基坑整體穩(wěn)定性的影響，從而優(yōu)化了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深度，方法可供類似工程參考。

1 項目概況

1.1 工程簡介

本綜合管廊工程位于上海市，其試驗段采用450 mm厚預(yù)制地下連續(xù)墻，“兩墻合一”設(shè)計，管廊埋深6.07 m～6.55 m，管廊內(nèi)壁凈尺寸為2.9 m。根據(jù)上海市《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，本工程基坑抗隆起安全系數(shù)應(yīng)不小于1.7；圍護(hù)樁計算插入深度9.93 m～9.45 m，插入比為1.44，剖面簡圖如圖2所示。

由于預(yù)制地下連續(xù)墻長度過大帶來較大的吊裝困難，因此擬通過有限元模擬計算插入比對地下連續(xù)墻內(nèi)力變形和穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化以利于工程的順利施工。

1.2 地層條件

表1列出了基坑開挖區(qū)域的典型土層分布。

表1 典型土層分布

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

數(shù)值分析使用Z_Soil軟件。由于問題具有典型的平面應(yīng)變特點(diǎn)，故采用2D模型進(jìn)行計算。計算模型簡圖如圖3所示。計算模型中，土體單元采用四邊形單元，地下連續(xù)墻采用梁單元，土體與地下連續(xù)墻之間設(shè)置了接觸面單元。鋼支撐采用二力桿單元模型，坑外施工超載取20 kPa。計算工況按實(shí)際施工工況進(jìn)行模擬。

2.2 本構(gòu)模型與參數(shù)

土體的本構(gòu)采用小應(yīng)變硬化土(HSS)模型[8]。根據(jù)上海地區(qū)的經(jīng)驗，取割線模量E50=Es(壓縮模量)，回彈再壓縮模量Eur=5Es，σref=100 kPa，泊松比取0.3。其他參數(shù)包括土層的壓縮模量均直接取自勘察報告。

此外，地下連續(xù)墻和鋼支撐均采用線彈性模型，模型參數(shù)由實(shí)際構(gòu)件尺寸和材料性質(zhì)確定。

3 結(jié)果分析

分別建立了6組數(shù)值模型以分析不同插入比對本工程條形基坑穩(wěn)定性的影響，插入比(D/H)分別為1∶0.5,1∶0.6,1∶0.7,1∶0.8,1∶0.9,1∶1.0。

3.1 插入比1∶0.8條件下數(shù)值分析結(jié)果

本文限于篇幅僅展示插入比1∶0.8的數(shù)值模型的計算結(jié)果。圖4～圖6分別為開挖結(jié)束工況基坑的水平位移、沉降云圖和彎矩云圖。圖6顯示圍護(hù)墻體的最大彎矩為348.9 kN·m。開挖結(jié)束后采用強(qiáng)度折減法計算了基坑的整體穩(wěn)定性，圖7為土體的極限剪應(yīng)變云圖，可以清晰的反映出滑裂面，對應(yīng)的整體穩(wěn)定系數(shù)1.75。

3.2 插入比對基坑的內(nèi)力變形和穩(wěn)定性的影響

分析插入比不同的數(shù)值模型計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

1)連續(xù)墻插入比對基坑開挖引起的橫向和豎向位移影響較小，連續(xù)墻最大橫向位移均約3.4 cm，墻后最大沉降均約5.8 cm。

2)隨著連續(xù)墻插入比增大，墻體最大彎矩先增大后減小，插入比為0.5時地連墻彎矩最大，為320 kN·m，插入比為0.8時地連墻彎矩最大，為348.9 kN·m，如圖8所示。

3)隨著連續(xù)墻插入比增大，基坑整體穩(wěn)定性安全系數(shù)線性增加，如圖9所示。

3.3 優(yōu)化結(jié)論

根據(jù)已有有限元強(qiáng)度折減法計算邊坡穩(wěn)定性的研究成果，安全系數(shù)應(yīng)不小于1.6[5-7]，對應(yīng)本項目地下連續(xù)墻插入比不小于0.7，實(shí)際方案取0.8以留有一定的安全余量。

4 方案優(yōu)化

根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)論，對原圍護(hù)方案進(jìn)行了調(diào)整，使用的預(yù)制地下連續(xù)墻長10.8 m，插入坑底以下5.25 m，插入比1∶0.8；節(jié)約墻長4.2 m。調(diào)整后的圍護(hù)剖面簡圖如圖2所示。

本工程采用優(yōu)化后的圍護(hù)方案，順利地進(jìn)行了基坑開挖和管廊結(jié)構(gòu)澆筑，現(xiàn)已完成回填和工程驗收。施工期間，實(shí)測預(yù)制地下連續(xù)墻最大彎矩和最大側(cè)向位移均小于數(shù)值模擬計算結(jié)果，顯示還有一定的安全余量。

5 結(jié)語

本文采用二維有限元數(shù)值模型，對某管廊工程條形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制地下連續(xù)墻插入比對連續(xù)墻內(nèi)力變形和基坑整體穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析，其中基坑整體穩(wěn)定性的計算采用了有限元強(qiáng)度折減法。根據(jù)參數(shù)分析的結(jié)果對原設(shè)計圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比和深度進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的基坑工程順利實(shí)施，效果良好。

1)對于本工程的窄條形基坑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入比對開挖引起的水平位移和土體沉降影響甚小，而與基坑整體穩(wěn)定性幾乎成線性關(guān)系，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大彎矩則表現(xiàn)為先增加后減少的非線性關(guān)系。

2)通過有限元強(qiáng)度折減法的有關(guān)研究成果，圍護(hù)插入比1∶0.8具有足夠的安全度，工程的順利實(shí)施有力證明了優(yōu)化成果的合理性。

3)工程實(shí)測表明，有限元的計算結(jié)果和實(shí)測值存較大差距，且有限元計算結(jié)果偏于保守?？赡艿脑蚴强臻g效應(yīng)被低估，采用2D計算結(jié)果偏大。

4)本工程的優(yōu)化設(shè)計研究沒有考慮基坑寬度深度比B/H的影響，這是不足之處，今后可進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化研究。