基于彈性支點(diǎn)法的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

劉素萍

（山西四建集團(tuán)有限公司，太原 030032）

1 工程概況

本基坑工程開挖深度較大，為方便施工，基坑-5 m 以上部分和以下部分采用不同的支護(hù)形式?；?5 m 以下部分的錨索共設(shè)置4 道。具體見表1。

表1 基坑支護(hù)形式概況

各土層厚度和物理力學(xué)參數(shù)請參照表2。

表2 巖土材料參數(shù)

2 計(jì)算流程

本案例采用GEO5 巖土軟件進(jìn)行計(jì)算分析，共分為以下6 個(gè)計(jì)算工況：

工況階段[1]：基坑放坡開挖至-5.0 m 并采用土釘支護(hù)；工況階段[2]：基坑開挖至-6.9 m；工況階段[3]：設(shè)置第1 道錨索，并將基坑開挖至-9.4 m；工況階段[4]：設(shè)置第2 道錨索，并將基坑開挖至-11.9 m；工況階段[5]：設(shè)置第3 道錨索，并將基坑開挖至-14.4 m；工況階段[6]：設(shè)置第4 道錨索，并將基坑開挖至-16.6 m。本案例采用彈性支點(diǎn)法分析，在分析設(shè)置界面中確認(rèn)選擇的標(biāo)準(zhǔn)為“中國國家標(biāo)準(zhǔn)”，分析方法采用的是“彈性支點(diǎn)法JGJ 120—2012”，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)設(shè)置為1.1[1]。

水平反力系數(shù)的確定：

按照J(rèn)GJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《基坑規(guī)程》）規(guī)定，基坑內(nèi)側(cè)土的水平反力系數(shù)可按式（1）計(jì)算：

式中，m 為土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)，kN/m4；z 為計(jì)算點(diǎn)距地面的深度，m；h 為計(jì)算工況下的基坑開挖深度，m。

土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)宜按樁的水平荷載試驗(yàn)及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值，缺少試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可按經(jīng)驗(yàn)公式（2）計(jì)算[2]：

式中，m 為土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；c 為土的黏聚力，kPa；φ 為土的內(nèi)摩擦角，（°）；對多層土，c、φ 按不同土層分別取值；Vb為擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量，mm，當(dāng)此處的水平位移不大于10 mm 時(shí)，可取Vb=10 mm。

排樁計(jì)算寬度的確定：

根據(jù)《基坑規(guī)程》，排樁的土反力計(jì)算寬度應(yīng)按公式（3）和（4）計(jì)算：

對圓形樁：

對矩形樁或工字形樁：

式中，b0為單根支護(hù)樁上的土反力計(jì)算寬度，m；當(dāng)按公式計(jì)算的b0大于排樁間距時(shí)，b0取排樁間距，m；d 為樁的直徑，m；b為矩形樁或工字形樁的寬度，m。

支擋結(jié)構(gòu)前（坑內(nèi)）土層尚未開挖或開挖深度很淺時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移很小，選擇坑外土壓力為主動(dòng)土壓力計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律有時(shí)候和實(shí)際并不相符。此時(shí)需要修改坑外土壓力為靜止土壓力，從而符合實(shí)際的坑外土壓力分布情況。此外，需要嚴(yán)格限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，根據(jù)《基坑規(guī)程》建議，支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)的土壓力宜取靜止土壓力[3]。

2.1 各工況階段分析計(jì)算

2.1.1 工況階段[1]

該工況的主要分析任務(wù)是驗(yàn)算基坑放坡的穩(wěn)定性，根據(jù)實(shí)際情況對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算、分析，在基坑放坡處繪制1 條初始計(jì)算滑面。分析方法采用“畢肖普法”，計(jì)算結(jié)果顯示，最不利滑動(dòng)面的安全系數(shù)為0.92，邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)，所以必須采用支護(hù)措施。

考慮設(shè)置土釘?shù)闹ёo(hù)措施，坡面設(shè)置3 道土釘，豎向間距為1.5 m，距離地面分別為1.6 m、3.1 m 和4.6 m。土釘長度分別為10 m、10 m、6 m，傾角為10°，水平間距為1.5 m，錨桿采用單根φ22 mm 螺紋鋼。

計(jì)算結(jié)果顯示，最不利滑動(dòng)面的安全系數(shù)為2.05，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，可見土釘起到了很好的支護(hù)作用。

2.1.2 工況階段[2]～[6]

工況[2]～[6]考慮添加錨桿，充分考慮錨桿的軸向剛度系數(shù)。將基坑深度分別設(shè)置為1.9 m、4.4 m、6.9 m、9.4 m、11.6 m。作用在結(jié)構(gòu)后的土壓力作為主動(dòng)土壓力考慮。根據(jù)“水平反力系數(shù)+土壓力”“內(nèi)力”“位移+土壓力”計(jì)算結(jié)果包絡(luò)圖（見圖1）。不同工況下力學(xué)計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

圖1 所有工況排樁位移、彎矩及剪力包絡(luò)圖

表3 不同工況下力學(xué)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，錨桿內(nèi)部穩(wěn)定性滿足要求。最不利滑動(dòng)面的安全系數(shù)為2.09，基坑整體穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 樁身配筋和抗剪、抗壓驗(yàn)算

對樁身進(jìn)行配筋和抗剪、抗壓驗(yàn)算，同時(shí)，驗(yàn)算截面強(qiáng)度，根據(jù)《基坑規(guī)程》規(guī)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，作用基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)不小于1.25。故將作用基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù)設(shè)置為1.25，配筋直徑設(shè)置為28 mm，鋼筋數(shù)量設(shè)置為15 根，混凝土保護(hù)層厚度設(shè)置為50 mm。驗(yàn)算結(jié)果顯示，排樁抗剪、抗彎及配筋率均滿足要求。

2.3 錨索驗(yàn)算

最后，對錨索的極限抗拔承載力和受拉承載力進(jìn)行驗(yàn)算，錨索第1 排到第4 排極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為：408 k N、490 kN、613 kN 和613 kN；錨桿軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值分別為103 kN、226 kN、332 k N 和300 kN；安全系數(shù)分別為3.96、2.16、1.84 和2.04。錨索第1 排到第4 排錨索軸向拉力設(shè)計(jì)值分別為：142 kN、311 kN、457 kN、413 kN；錨索抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為707 kPa，均滿足要求。驗(yàn)算結(jié)果表明，錨索的極限抗拔承載力和受拉承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

基于彈性支點(diǎn)法對深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算、分析，原理簡單明了，思路清晰明確，結(jié)果可靠度高。采用土釘+地下連續(xù)墻+錨索的支護(hù)體系處理深基坑，能夠有效控制基坑及周邊地質(zhì)環(huán)境的變形，效果十分理想，表明復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在深基坑的適用性較好。本文旨在為行業(yè)同仁開拓一種分析、解決實(shí)際問題的思路，拋磚引玉，大家在日后的工作中，可以進(jìn)一步優(yōu)化巖土工程的方式方法。