基坑環(huán)形內(nèi)支撐體系的優(yōu)化設(shè)計研究

吳小龍

(福建省泉州工程勘察院 福建泉州 362000)

0 引言

在基坑周邊環(huán)境條件復(fù)雜、變形控制要求高的軟土地區(qū)，圍護墻結(jié)合內(nèi)支撐系統(tǒng)，是常用、成熟的支護形式[1]。對于環(huán)形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，通常采用平面有限元法假設(shè)進行支撐布置和分析計算。依照其計算假設(shè)的要求，環(huán)形梁之間應(yīng)布置盡可能多的桁架桿件,其體系具有“桁架桿件數(shù)量多、環(huán)梁軸向壓力大、需確保其均勻受力”的特點。因此，對造價和工期影響較大，且對土方開挖技術(shù)和施工管理要求較高。本文以馬尾區(qū)某一深基坑工程為例，分析探討據(jù)大構(gòu)件分區(qū)設(shè)計理念對有限元法環(huán)形內(nèi)支撐布置體系的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用，供同行借鑒。

1 工程與地質(zhì)概況

某工程位于福州市馬尾區(qū)，場地周邊建筑物和道路情況如圖1所示。

擬建物為1幢24層商業(yè)大樓，占地面積約7066 m2，框-剪結(jié)構(gòu)，設(shè)3層地下室，基坑周長約350 m，挖深15.90 m～16.40 m，采用沖孔灌注樁作為建筑物基礎(chǔ)，工程樁已先行施工。場地屬閩江下游洪淤積階地地貌單元，基坑開挖深度范圍內(nèi)的土層及主要物理力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

地下水主要為③中砂層中的承壓水，承壓水頭高，經(jīng)計算，基坑開挖過程存在發(fā)生坑底突涌的可能性，必須采取降水或截水措施。此外，場地分布有厚層淤泥，其力學(xué)性能差，壓縮性高，且主體樁基施工已對淺部軟土造成了一定的擾動，給基坑支護造成不利影響。場地東北和西北側(cè)為城市主干道，對變形控制有一定要求，加上場地空間小，支護選型受限。因此，如何選擇合理的支護形式，確?；影踩?jīng)濟是設(shè)計的重點。特別是確定支護形式后，合理的布置支護結(jié)構(gòu)，是設(shè)計者的主要工作。

表1 場地土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 原設(shè)計方案

由于周邊環(huán)境對變形的控制要求較高，原基坑支護設(shè)計方案采用大直徑?jīng)_孔灌注樁作為基坑的圍護樁，配以兩道環(huán)形內(nèi)支撐體系，并進行坑內(nèi)被動區(qū)水泥攪拌樁加固。考慮存在較豐富的地下水，其基坑四周設(shè)置三軸水泥攪拌樁作為截水帷幕。

2.1 基坑圍護樁

排樁選擇直徑1000 mm的沖孔灌注樁，樁距1.2 m。在地層條件較好的區(qū)段，樁間距改為1.5 m，圍護樁平均樁長約32 m。支護平面布置如圖2所示，典型斷面圖如圖3所示。

圖2 基坑支護平面布置圖

圖3 基坑典型斷面圖

2.2 內(nèi)支撐的布置

內(nèi)支撐采用鋼筋砼環(huán)撐，配以指向圓心輻射撐桿和四角弧形支撐，為增加環(huán)撐間的剛度，在兩環(huán)撐間設(shè)置了短斜撐以形成圓形桁架。累計支撐構(gòu)件120根，環(huán)形混凝土構(gòu)件的總長度為655.0 m，內(nèi)圓直徑約67.0 m。

2.3 支撐立柱

為保證支撐體系的整體穩(wěn)定性，在坑中設(shè)置72根鋼格構(gòu)立柱，其下支承樁采用沖孔灌注樁，樁長6.5 m～17.5 m。

2.4 坑內(nèi)被動軟土加固

為了減少基坑開挖后圍護樁的變形，設(shè)計方案對被動區(qū)軟土采用雙向水泥土攪拌樁進行加固處理，攪拌樁采用φ550@450格柵狀布置，處理深度28.4 m，加固厚度為12.0 m。

3 優(yōu)化設(shè)計

原設(shè)計方案經(jīng)專家論證和審查后，已正式出具施工圖，但總承包商經(jīng)各分項造價預(yù)算后，認為支護造價偏高，同時存在坑內(nèi)軟土加固施工難度大，對工程樁施工后的深層軟土進行攪拌樁施工，無法保證其質(zhì)量。其次，將近16 m的開挖深度采用兩道支撐，一旦坑內(nèi)被動區(qū)加固質(zhì)量不能控制，則支護體系存在風(fēng)險，其變形恐難以控制。故委托第三家進行優(yōu)化，重新設(shè)計。

3.1 原支護結(jié)構(gòu)存在的問題

3.1.1 圍護樁布置不合理

基坑?xùn)|側(cè)排樁沿地下室外墻布置，雖然減少了基坑開挖的土方量，但由于地下室東側(cè)墻體內(nèi)凹形成陽角，陽角處的內(nèi)力比較復(fù)雜，是應(yīng)力集中的部分[1]，對支護構(gòu)件受力不利，也增加了構(gòu)件長度和圍護樁的數(shù)量，與所節(jié)省的挖方量相比，并無經(jīng)濟優(yōu)勢。

供給情況：上周國內(nèi)尿素復(fù)產(chǎn)企業(yè)增多，開工率持續(xù)上漲，目前國內(nèi)尿素整體開工率在60%左右，其中煤頭企業(yè)開工率在59%左右，氣頭企業(yè)開工率在63%左右。原料方面，主流礦區(qū)煤炭庫存偏低，價格堅挺，華北地區(qū)地方煤炭價格略有下調(diào)；天然氣價格略有下跌。液氨方面，供給整體偏緊，價格有所上漲。

3.1.2 內(nèi)支撐布置不合理

內(nèi)撐的平面布置過于追求理想化的桿系結(jié)構(gòu)，以滿足有限元桿系結(jié)構(gòu)計算假設(shè)的要求，即盡量避免短粗桿件和構(gòu)件相切，因而桿件數(shù)量增多，環(huán)形梁也多了一道。為保證環(huán)形梁盡可能只承受軸向壓力，圍繞兩道環(huán)形梁必須設(shè)置盡可能多的以環(huán)梁圓心為中心、向外均勻輻射的支撐桿件。因構(gòu)件斷面尺寸小，為了確保支撐結(jié)構(gòu)的平面外剛度，需要設(shè)置較多的支撐立柱，加之平面輻射桿件較多，使基坑區(qū)塊分割過多，影響機械化作業(yè)，增加施工工期。此外，要求所有水平支撐輻射桿件的受力方向指向環(huán)撐中心，對放樣精度和施工質(zhì)量要求較高。一旦某些部位存在質(zhì)量問題，可能發(fā)生多米諾效應(yīng)。

3.1.3 被動區(qū)加固不合理

采用水泥土攪拌樁確實可有效提高軟土的工程性能，但對加固后土體抗剪強度的取值依據(jù)尚少，計算理論不夠完善。且需處理的淤泥深達28.4 m，超出了以往工程經(jīng)驗，加上工程樁業(yè)已施工，攪拌樁施工質(zhì)量難以控制。此外，攪拌樁在基坑深度內(nèi)會形成空孔段，造成不必要的浪費。

3.2 優(yōu)化的思路

該基坑支護的重點部位在于：①坑底分布著深厚淤泥層，圍護樁的被動區(qū)抗力?。虎趯τ谄矫姝h(huán)形支撐體系，基坑4個角部受力復(fù)雜，是整體穩(wěn)定的關(guān)鍵部位；③各側(cè)基坑中部區(qū)域內(nèi)腰梁與環(huán)形梁連接弱，對圍護樁的約束作用小。

綜上，結(jié)合原支護體系存在的問題，針對性調(diào)整支護方案：

(2)增加大斷面角撐與基坑角部，構(gòu)成局部三角形支撐，增強支撐平面穩(wěn)定性；基坑各側(cè)中部區(qū)域內(nèi)的腰梁與環(huán)形支撐，通過加勁肋板連接，同時加密該區(qū)域圍護樁間距。由此將環(huán)形支撐的數(shù)量減小為一道，并取消原兩道環(huán)形支撐間的眾多桁架支撐梁。

4 優(yōu)化方案實施

根據(jù)以上思路及《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)[2]，仍采用排樁+環(huán)撐+截水帷幕的綜合支護方案。但設(shè)計上根據(jù)地質(zhì)情況和基坑具體受力部位的重要性，按分塊的概念來設(shè)計。其主要的原則是在確保基坑四角足夠穩(wěn)定的前提下，增加四邊跨中的抗彎剛度，以減少環(huán)撐的受力。把環(huán)撐作為最后的一道防線，是各區(qū)塊強度和穩(wěn)定保證堅強后盾，從而大大提高支護體系的冗余安全度。據(jù)此思路，優(yōu)化后排樁根據(jù)區(qū)塊情況，分別選擇直徑1000 mm、1200 mm的沖孔灌注樁，樁間距1.6 m、1.7 m，在基坑各側(cè)中部加密至1.4 m。在內(nèi)支撐平面布置上，以固角強中為理念，取消一道環(huán)撐，加大環(huán)撐的直徑和截面尺寸，并結(jié)合傳力肋板，確保環(huán)撐受力均勻合理和具備足夠平面整體剛度。垂直方向增設(shè)一道內(nèi)支撐，取消坑內(nèi)被動區(qū)加固，以減少因開挖過深所引起的圍護樁水平位移。優(yōu)化后的平面布置如圖4所示，斷面圖如圖5所示。

5 優(yōu)化結(jié)果

5.1 社會經(jīng)濟效益

首先，加密基坑各邊中部的支護樁，增強了整體剛度，使變形協(xié)調(diào)；調(diào)整東側(cè)圍護樁為單直線布置，消除基坑陽角，使受力合理。其次，采用第三道支撐替代坑底被動區(qū)軟土加固，避免了因攪拌樁加固存在質(zhì)量問題而帶來的不可預(yù)見性安全隱患。

圖4 設(shè)計優(yōu)化-支護平面布置圖

將環(huán)撐調(diào)整為一道大斷面環(huán)撐，取消共196根輻射支撐桿件，既減少了支撐和立柱數(shù)量，又使得基坑中部增加了近1950 m2的施工空間，改善了施工條件，提高了施工速度，大大縮短了施工周期，具有明顯的經(jīng)濟與社會效益。設(shè)計優(yōu)化前后主要支護構(gòu)件的工程量如表2所示。

表2 設(shè)計優(yōu)化前后主要支護構(gòu)件的工程量表

由表2可知，除灌注樁用量基本持平、支撐梁用量增加36.2%外，其余支護工程量得到大幅度的優(yōu)化，尤其是立柱、立樁樁數(shù)量(-43.05%)和被動區(qū)攪拌樁(-100%)部分。經(jīng)工程結(jié)算，基坑支護實際節(jié)省造價近710萬元，占原支護方案造價的22.6%。

5.2 監(jiān)測成果

圖6為實測圍護樁沿深度的水平位移(測斜)，圖7為坑底工況下圍護樁單元計算變形圖，表3為周邊環(huán)境在工程施工期間的最大變形量表。

通過施工過程中的監(jiān)測成果圖表及現(xiàn)場巡視結(jié)果，基坑工程的各項應(yīng)力和變形基本上都控制在允許范圍內(nèi)，優(yōu)化后的基坑支護設(shè)計實施效果較好，滿足使用要求。

表3 周邊環(huán)境最大變形量

圖6 支護樁深層水平位移曲線

圖7 坑底工況下支護樁計算變形圖

6 結(jié)論

通過本工程基坑支護方案的優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)施工實踐和受力與變形監(jiān)測，結(jié)果證明完全達到預(yù)期目標(biāo)，并得出以下結(jié)論和建議：

(1)對于開挖較深的基坑，當(dāng)存在較深厚淤泥層時，采用被動區(qū)加固而取代一道支撐是不合理的，存在一定風(fēng)險。

(2)沿基坑四周的圍護樁，盡可能直線布置，盡量避免出現(xiàn)陽角，以確保支護體系受力合理。

(3)大跨度方形基坑采用環(huán)形內(nèi)支撐時，可不必拘泥于理想的桿系結(jié)構(gòu)體系來布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件。對于基坑工程應(yīng)結(jié)合環(huán)形支撐梁分區(qū)塊設(shè)計，在確保各區(qū)塊受力可靠的前提下，使各區(qū)塊傳至環(huán)形梁內(nèi)力盡可能均勻，盡可能小，以提高結(jié)構(gòu)體系的冗余安全度。

(4)支撐體系應(yīng)盡可能用大剛度的桿件。有些區(qū)域可以用混凝土板作為傳力構(gòu)件，一方面可增加其剛度，另一方面使其傳力更均勻。

(5)大構(gòu)件區(qū)塊設(shè)計理念可大大增加環(huán)形支撐梁的斷面，并大幅度減少支撐構(gòu)件的數(shù)量，達到改善施工條件、縮短工期的目的。

(6)通過基坑工程的開挖，證明環(huán)形內(nèi)撐采用大構(gòu)件分區(qū)域設(shè)計理念，可以有效控制基坑側(cè)壁變形，符合“安全、合理、經(jīng)濟、適用”的支護設(shè)計原則。