基坑兩側(cè)場地高差對支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響分析

湯 愷

（廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司，廣東廣州 510034）

地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)因其連續(xù)墻剛度大，整體性好，基坑開挖過程中安全性高，支護結(jié)構(gòu)變形較小等特點得到了廣泛使用[1]。隨著基坑朝著更深、更復雜方向發(fā)展，基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計所需考慮因素也增多，如何更全面、更準確地反映基坑支護結(jié)構(gòu)受力及變形特性成為基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

通常，場地平整后基坑四周場地標高相差不大及相近的情況下，地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算可采取對稱取半，選取斷面進行設(shè)計計算。當基坑場地平整后，基坑四周場地存在高差情況下，基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮三維空間效應(yīng)[2-3]。本文主要通過有限元計算軟件建立在不同場地高差值情況下的三維計算模型，得出場地高差值對地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)影響的大小，優(yōu)化傳統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計計算方法，以達到簡化在基坑兩側(cè)存在場地高差情況下的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 有限元計算模型

本算例主要結(jié)合廣州地區(qū)某基坑工程，場地呈南北向分布，形狀規(guī)則，場地東高西低，中間有起伏，場地平整后基坑東西兩側(cè)高差約為5 m，基坑30 m×10 m，基坑深12 m，基坑支護結(jié)構(gòu)形式采用800 mm地下連續(xù)墻+兩道內(nèi)支撐支護?；尤S計算模型取8 0m×80 m×45 m（深）。

地下連續(xù)墻采用800 mm厚殼單元，內(nèi)支撐、腰梁及冠梁采用一維梁單元，土體采用三維實體單元，共25 670個單元，26 910個節(jié)點。地下連續(xù)墻與混凝土撐采用C30，彈性模量E=30 MPa，μ=0.2，容重γ=25 kN/m3，根據(jù)場地地質(zhì)勘查報告，取巖土參數(shù)取值。

為驗證所建立三維模型及土體參數(shù)取值的合理性與可對比性，通過比較分析有限元計算與理正深基坑計算基坑四周場地標高一致情況下的支護結(jié)構(gòu)水平位移可知，理正深基坑與有限元方法計算連續(xù)墻變形趨勢相一致，理正計算結(jié)果較有限元計算結(jié)果偏小1～2 mm，主要原因是兩種計算方法不同，理正通過采用彈性梁法簡化計算樁土之間共同作用；有限元法是采用土體單元與樁單元之間接觸進行計算分析。整體計算結(jié)果相近、水平位移趨勢都是相同，可相互驗證所建計算模型的合理性。

2 數(shù)值計算與分析

針對上述相關(guān)參數(shù)建立三維有限元計算模型，考慮不同基坑兩側(cè)場地的高差值，通過有限元和理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，計算分析不同高差值對地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)的變形影響。

2.1 有限元計算分析

通過分別建立基坑場地兩側(cè)高差H=1 m、H=3 m、H=5m及普通場地高差為H=0三維計算模型，提取基坑相同位置處高低兩側(cè)的連續(xù)墻水平位移曲線如圖1、圖2所示。

圖1 有限元計算場地高側(cè)連續(xù)墻水平位移

圖2 有限元計算場地低側(cè)連續(xù)墻水平位移

由以上有限元計算分析結(jié)果顯示，當H=0時，基坑兩側(cè)位移呈對稱顯示，都朝基坑內(nèi)側(cè)變形，基坑頂水平位移與最大水平位移分別為3.33、9.21 mm。當H值從1、3、5 m逐漸增加時，基坑高側(cè)支護結(jié)構(gòu)頂水平位移向基坑內(nèi)側(cè)逐漸增加，分別為4.49、16.83、36.16 mm，本側(cè)支護結(jié)構(gòu)最大水平位移也由墻身逐漸轉(zhuǎn)向墻頂位置；而基坑內(nèi)側(cè)支護結(jié)構(gòu)頂水平位移分別為-2.05、5.90、14.04 mm，本側(cè)支護結(jié)構(gòu)水平位移也由朝基坑側(cè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸诚蚧右粋?cè)發(fā)展。

從結(jié)果分析可知，當基坑兩側(cè)高差逐漸增加時，基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移由朝向基坑一側(cè)變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閳龅馗邆?cè)水平位移朝基坑側(cè)逐漸增加，場地低側(cè)則背向基坑一側(cè)發(fā)生變形。主要是由于基坑變形呈三維空間效應(yīng)，隨著場地高差值逐漸增大，場地高側(cè)土壓通過支撐傳遞給場地低側(cè)支護結(jié)構(gòu)，基坑低側(cè)支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生背向基坑一側(cè)的水平位移。

2.2 理正深基坑計算分析

基坑深度12 m，對基坑場地兩側(cè)高差H=0、1、3、5 m的四種情況八個斷面（其中冠梁、腰梁混凝土等級取C30），采用設(shè)計常用深基坑軟件（理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件7.0版）進行算例分析。

低、高側(cè)計算分析如圖3、圖4所示。

圖3 理正計算場地低側(cè)連續(xù)墻水平位移

圖4 理正計算場地高側(cè)連續(xù)墻水平位移

根據(jù)有限元計算結(jié)果可知，場地兩側(cè)存在高差時，基坑兩側(cè)支護結(jié)構(gòu)水平位移不對稱，而坑高側(cè)土壓力通過支撐傳遞給低側(cè)支護結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形模式。在理正計算場地低側(cè)斷面分析時，可通過對斷面施加合適的預加力進行計算分析。

對場地低側(cè)連續(xù)墻設(shè)計施加預加軸力（約為場地高側(cè)支撐軸力的40%～60%），計算基坑開挖至12 m支護結(jié)構(gòu)水平位移，工況1～4對應(yīng)最大水平位移分別為9.2、10.4、19.0、38.2 mm；工況5～8對應(yīng)最大水平位移分別為-9.2、-8.1、5.7、13.8 mm；計算抗傾覆安全系數(shù)，整體安全系數(shù)的值都能夠滿足規(guī)范要求。理正與有限元分析結(jié)果對比如表1所示，“+”為高側(cè)朝基坑向，“-”為低側(cè)。

表1 理正與有限元分析計算結(jié)果對比

理正計算結(jié)果與有限元分析計算結(jié)果趨勢相同、大小相近。通過對基坑場地低側(cè)施加40%～60%場地高側(cè)軸力的分析模型，其計算結(jié)果與對應(yīng)的有限元計算結(jié)果基本吻合。

3 結(jié)語

本文通過有限元分析基坑兩側(cè)場地高差對地下連續(xù)墻的三維模擬分析，基坑兩側(cè)場地存在高差H時，優(yōu)化了地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)的場地低側(cè)斷面設(shè)計計算方法。

（1）運用理正和有限元分析方法對基坑兩側(cè)場地不同高差值、對高低兩側(cè)地下連續(xù)墻設(shè)計影響大小、對應(yīng)的7種工況所得最大水平位移、抗傾覆安全系數(shù)以及整體安全系數(shù)進行計算分析合理與可行。

（2）在實際應(yīng)用時，可根據(jù)本文設(shè)計計算方法，以及具體的地質(zhì)條件、地面超載等實際情況驗算調(diào)整，為相關(guān)的基坑兩側(cè)場地存在高差情況下的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的借鑒與參考。