超大規(guī)模深基坑鋼筋混凝土圓形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張海龍

（東風(fēng)鴻遠(yuǎn)工程咨詢有限公司，湖北 襄陽(yáng)）

引言

隨著城市化進(jìn)程的加速和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進(jìn)，超大規(guī)模深基坑工程在建筑、橋梁、地鐵等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1]。在這些工程中，深基坑支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。本文將圍繞超大規(guī)模深基坑鋼筋混凝土圓形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開研究，主要涉及以下三個(gè)方面：內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式選型、深基坑支撐數(shù)據(jù)計(jì)算和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

在深基坑支撐數(shù)據(jù)計(jì)算方面，首先，需要對(duì)工程地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)勘察，了解土層分布、力學(xué)性質(zhì)和地下水情況等。結(jié)合基坑工程的規(guī)模和特點(diǎn)，通過科學(xué)計(jì)算確定支護(hù)樁以及內(nèi)支撐數(shù)據(jù)、水平位移等關(guān)鍵參數(shù)[2]。在支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，需要遵循一定的基本原則和設(shè)計(jì)步驟。進(jìn)行基坑壁穩(wěn)定性分析，確保在施工過程中的安全。其次，要根據(jù)工程需要選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型[3]。鋼筋混凝土圓形內(nèi)支撐計(jì)算是深基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)之一。在設(shè)計(jì)前，需要充分的收據(jù)周邊環(huán)境資料、工程地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料及本地的建筑經(jīng)驗(yàn)。

超大規(guī)模深基坑鋼筋混凝土圓形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容和意義重大?？茖W(xué)的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于確保深基坑施工中的安全與穩(wěn)定，降低工程風(fēng)險(xiǎn)[4]。合理利用資源，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命，有助于降低工程成本和提高經(jīng)濟(jì)效益。此外，本文研究深基坑鋼筋混凝土圓形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。

1 超大規(guī)模深基坑鋼筋混凝土圓形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

某工程擬建建筑物地下4 層，地上4 層，地下4層為機(jī)械停車場(chǎng)，地上4 層為商業(yè)。本工程占地面積約3 483 m2，場(chǎng)區(qū)地面整平標(biāo)高為68.00 m。地下室周長(zhǎng)約為200 m，長(zhǎng)約為66 m，寬約為51 m，形狀近似正方形，基坑開挖深度H 約為15.6 m?；又苓叚h(huán)境：北側(cè)、東側(cè)距離現(xiàn)有道路約為5 m，道路下分布有雨污水管線，直徑600 mm，埋深3 m；南側(cè)距離現(xiàn)有5F 磚混建筑物約為8 m，建筑物采用條形基礎(chǔ)，埋深1.5 m。西側(cè)距離現(xiàn)有2F 磚混建筑物約為7 m，建筑物采用條形基礎(chǔ)，埋深1.5 m。

1.2 工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地地貌單元屬漢江Ⅰ級(jí)階地，鉆探深度范圍內(nèi)主要地層從上至下依次為雜填土和第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、圓礫、中砂、粉質(zhì)黏土和卵石，下臥基巖中風(fēng)化泥巖，基巖埋深大于50 m。水文地質(zhì)條件：場(chǎng)區(qū)勘探孔揭露深度范圍內(nèi)地下水類型為上層滯水及承壓水。①層雜填土層賦存有上層滯水，水量較小。④層粉砂、⑤層圓礫和⑥層卵石賦存承壓水，與漢江水力聯(lián)系密切，并互相補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化而變化?？辈炱陂g測(cè)得地下水承壓水水位埋深4.62～5.75 m，標(biāo)高為63.05～63.25 m，水量豐富，基坑降水深度達(dá)13 m。

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

超大規(guī)模深基坑設(shè)計(jì)的另一重要組成部分為支護(hù)設(shè)計(jì)，旨在確?？颖诮Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，維護(hù)工程安全等，同時(shí)不影響周邊建筑和道路管線正常使用。支護(hù)結(jié)構(gòu)選型時(shí)需要考慮以下因素：①支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)周邊環(huán)境的影響；②工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件；③施工對(duì)周邊環(huán)境的影響；④造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。

本基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜，可使用空間有限，有建筑物和管線分布，地下水位較高，水量豐富，不宜采用樁錨體系。本基坑降水深度較大，容易引起周邊建筑物和道路、管線的沉降、開裂，為減少基坑內(nèi)降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C35 地下連續(xù)墻（咬合樁）支護(hù)，兼具止水帷幕。綜合分析，本項(xiàng)目支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C35 地下連續(xù)墻（咬合樁）+二道C35 鋼筋砼內(nèi)支撐，內(nèi)支撐分別設(shè)置于現(xiàn)地面下-5 m、-10 m 位置。基坑內(nèi)采用管井降水，地下連續(xù)墻外圍設(shè)置回灌井、觀測(cè)井，見圖1。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 鋼筋混凝土內(nèi)支撐架設(shè)

本基坑長(zhǎng)約為66 m，寬約為51 m，形狀近似正方形。內(nèi)支撐平面布置可以采用水平對(duì)撐、角撐，但支撐結(jié)構(gòu)穿越主體結(jié)構(gòu)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)的施工影響較大。場(chǎng)地狹小，空間有限，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)也影響土方開挖及車輛運(yùn)輸。且采用水平對(duì)撐、角撐造價(jià)較高。本基坑采用二道圓形混凝土支撐，可以最大限度地發(fā)揮混凝土結(jié)構(gòu)的受壓能力，同時(shí)形成中部開闊的空間。相比于水平對(duì)撐、角撐，無支撐面積最大，便于土方開挖和主體結(jié)構(gòu)施工，減少工期，見圖2。

圖2 內(nèi)支撐平面布置示意圖

第一道鋼筋砼支撐位于-5 m，圓環(huán)支撐直徑46 m。第二道與第一道支撐中心距離為5 m。內(nèi)支撐混凝土等級(jí)為C35，支撐截面尺寸見表1。

表1 支撐截面尺寸一覽表 單位：mm

在進(jìn)行支撐架設(shè)時(shí)，按照以下工藝流程進(jìn)行操作：測(cè)量定位→土方開挖至支撐底面→圍檁施工→立柱施工→支撐施工→達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后→土方開挖。進(jìn)行下一層支撐施工。

2 圓形內(nèi)支撐計(jì)算

2.1 水土壓力

作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力可根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形控制要求分別按靜止、主動(dòng)、被動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算。對(duì)巖土工程和周邊環(huán)境條件復(fù)雜或重要的基坑工程，宜采用土與結(jié)構(gòu)共同作用的方法和合理的數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算土壓力。

①靜止土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可采用以下公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：eoz——計(jì)算點(diǎn)處?kù)o止土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；γi、hi——計(jì)算深度以上第i 層土層的天然重度和厚度；qz——主動(dòng)側(cè)深度z 處由于超載引起的豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；k0——計(jì)算點(diǎn)處?kù)o止土壓力系數(shù)。

靜止土壓力系數(shù)宜采用室內(nèi)k0試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)確定。有成熟工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)可按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。

②主動(dòng)、被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可采用朗肯理論公式計(jì)算。地下水位以上應(yīng)采用總應(yīng)力法；地下水位以下的土、水壓力可采用總應(yīng)力和有效應(yīng)力兩種方法計(jì)算。對(duì)黏性土和粉土宜采用總應(yīng)力法；對(duì)粉、細(xì)砂宜采用有效應(yīng)力法， 有經(jīng)驗(yàn)時(shí)也可采用總應(yīng)力法；對(duì)中、粗砂及卵礫層應(yīng)采用有效應(yīng)力法。

③水土壓力合算時(shí)可采用公式（2）、（3）進(jìn)行計(jì)算；水土壓力分算時(shí)可采用下公式（4）、（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中：eaz、epz——深度z 處的主、被動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），eaz＜0 時(shí)取eaz=0；qz——主動(dòng)側(cè)深度z 處由于超載引起的豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；paz、ppz——主、被動(dòng)側(cè)深度z 處的由上覆土層自重引起的豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；pwaz、pwpz——主、被動(dòng)側(cè)深度z 處的孔隙水壓力（kPa）；z——計(jì)算點(diǎn)的深度（m），主動(dòng)側(cè)自坑頂起算，被動(dòng)側(cè)自坑底起算；n——主動(dòng)側(cè)或被動(dòng)側(cè)計(jì)算點(diǎn)以上的土層數(shù)；γi、hi——計(jì)算深度以上第i層土層的天然重度和厚度；ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)，ka= tan2（45°-φk/2），土水分算時(shí)應(yīng)采用有效應(yīng)力參數(shù)φ'k計(jì)算；kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)，＝ tan （45 ＋φ/2），土水分算時(shí)應(yīng)采用有效應(yīng)力參數(shù)φ'k計(jì)算；ck、c'k——計(jì)算深度處土的總應(yīng)力、有效應(yīng)力黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；φk、φ'k——計(jì)算深度處土的總應(yīng)力、有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（度）。

2.2 內(nèi)支撐計(jì)算的原則

內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)宜采用符合樁（墻）與撐協(xié)同工作原則的方法計(jì)算，也可按“彈性抗力法”計(jì)算。對(duì)于特別重要的基坑工程可采用空間有限元方法計(jì)算校核。按“彈性抗力法”計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意以下問題：①支護(hù)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。②內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)（包括冠梁和圍檁）作為平面鋼架采用有限元計(jì)算時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置附加約束。③支護(hù)樁與內(nèi)支撐分別計(jì)算時(shí)，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的位移應(yīng)與支護(hù)樁的位移相協(xié)調(diào)。二者相差過大時(shí)，應(yīng)調(diào)整支撐剛度系數(shù)的取值，重新進(jìn)行支護(hù)樁計(jì)算，并利用所得到的支護(hù)樁對(duì)內(nèi)支撐的作用力的新值重新對(duì)內(nèi)支撐進(jìn)行計(jì)算。④應(yīng)計(jì)算拆除下層支撐后上層支撐力的變化[5]。

3 計(jì)算結(jié)果

內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)就其本質(zhì)而言是排樁－內(nèi)支撐空間結(jié)構(gòu)問題，應(yīng)該用空間有限元計(jì)算[6]。但空間計(jì)算十分復(fù)雜，難以在設(shè)計(jì)中實(shí)施?！皬椥钥沽Ψā钡乃枷胧菍⒅ёo(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)支撐分離考慮。第一步，先將內(nèi)支撐作為支護(hù)樁的彈性支座，對(duì)支護(hù)樁進(jìn)行計(jì)算，得到樁的位移、內(nèi)力和彈性支座的支承力；第二步，將上述彈性支座的支承力反向，作為內(nèi)支撐所受的荷載，將內(nèi)支撐（含冠梁或圍檁）作為平面剛架進(jìn)行計(jì)算，得到內(nèi)支撐的位移和內(nèi)力。為驗(yàn)證本文提出的方法的有效性，通過天漢軟件計(jì)算支護(hù)樁和內(nèi)支撐的軸力、剪力、彎矩和位移，并用理正軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 支護(hù)樁計(jì)算結(jié)果

通過天漢軟件對(duì)基坑周邊周邊四個(gè)剖面進(jìn)行計(jì)算，支護(hù)樁最大彎矩約為900 kN*m，最大剪力約為500 kN，發(fā)生在基坑深度2/3 位置處。位移約為22～29 mm，發(fā)生在樁頂處。理正軟件通過空間有限元法進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，基坑最大位移約為31 mm，彎矩、剪力與天漢軟件計(jì)算結(jié)果基本相近。

3.2 內(nèi)支撐計(jì)算結(jié)果

支撐體系采用桿件平面法，見表2 和表3。

表2 圓環(huán)支撐設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果

表3 輻射撐設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算結(jié)果分析得知：①支護(hù)樁變形位移與支撐變形位移基本一致，都為20～30 mm 左右，說明支護(hù)樁與支撐協(xié)同一致工作，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，支撐剛度取值比較合理。②第一道支撐受到的內(nèi)力值小于第二道內(nèi)力。第一道支撐設(shè)置于1/3H 處，第二道支撐設(shè)置于2/3H 處，計(jì)算結(jié)果也與支護(hù)樁的受力變形基本一致。③圓形支撐可以充分發(fā)揮混凝土結(jié)構(gòu)的受壓性。④本設(shè)計(jì)計(jì)算理論的科學(xué)性、先進(jìn)性。

結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)地研究了超大規(guī)模深基坑鋼筋混凝土圓形內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要涉及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、深基坑支撐數(shù)據(jù)計(jì)算和鋼筋混凝土內(nèi)支撐架設(shè)三個(gè)方面。通過不斷深入研究和探索，這將有助于推動(dòng)深基坑工程技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，提高我國(guó)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，并為我國(guó)的城市化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。