基于施工步序的基坑支護結構可靠度分析

文/李立 沈陽建筑大學 遼寧沈陽 110000

1、工程概況

在20世紀40年代，工程結構可靠度理論開始進行研究。此后，世界上開始了對工程結構可靠度的研究。地下結構可靠度是可靠度理論的一個重要范疇，可靠度的研究工作已被世界接受并認可，而且其對工程實踐產生重大影響。現在，國內《建筑地基基礎設計規范》還規定了根據概率極限狀態進行設計，考慮兩種極限狀態，分別是承載力和正常使用階段，同時采用分項系數和標準值的實用設計表達式。這些都是地下結構可靠度走向實用的良好開端[1]。

本文以沈陽地鐵9號線工程某換乘站為例，車站主體基坑深約25m，采用圍護樁+內支撐圍護體系，基坑圍護樁采用φ1200@1000(1200)鉆孔灌注樁。圍護樁嵌固深度8m，該基坑共設置一道混凝土撐、三道鋼支撐及一道換撐，混凝土支撐水平間距3m，鋼支撐水平間距2.5m。基坑范圍內設置一排臨時立柱,采用坑外降水施工。基坑支護等級為一級，保護等級及基坑變形控制為特級。基坑大致呈方形，開挖時充分考慮時空效應，待圍護結構封閉，基坑內水位降低至基坑底面以下1m后，以“先中間后四角、對稱開挖、不超挖、及時支撐、噴錨迅速”為原則開始后及時架設腰梁及鋼支撐并進行噴混封閉。

隨著基坑的開挖設置支撐結構過程中，在外側土壓力的作用下，樁的內力可能發生不同程度的變化，在某一個位置達到彎矩最大值，該最大值要小于等于該位置截面上鋼筋混凝土樁的受彎承載力。因此建立支撐結構不同施工程序下鋼筋混凝土樁的受彎承載力與外力彎矩最大值之間的函數關系，求出其可靠度指標，判斷鋼筋混凝土樁的穩定性。

2、可靠度理論分析

在進行可靠度功能函數的建立時，要考慮兩部分的內容：1.土壓力作用下和支撐的共同作用下，樁的最大彎矩函數；2.鋼筋混凝土樁自身的抗彎承載力。在進行可靠度計算時，由于工程所處地層多為砂性土，因此本節計算中不考慮粘聚力c的作用，將其設為零。

第一步施工程序指第一道鋼筋混凝土支撐施工，本道支撐設立在樁的頂端，因此第一施工程序可以看成是單支撐模式，計算其力學性質。

第一步頂層土壓力零點高度Z0，地面超載取10kPa。求得Z0=-0.502＜1。說明土壓力零點位于地表面處。

第二步求支撐的支反力T1

根據等值梁法，為求得支點力T1，應建立土壓力零點對其上部全部力取距的平衡條件。

第三步求最大彎矩作用位置

由材料力學知識可知，最大彎矩作用點應滿足剪力為零。本工程實例求得的土壓力零點位于基坑開挖面，因此假設剪力零點作用在基坑開挖面以上，并設位置為h1，求得h1=4.448m

第四步求最大彎矩值

求得：

利用本方法進行其余支撐分析得出：說明隨著基坑的開挖，增加鋼支撐滿足基坑的整體穩定性要求。從而得出結論：（1）五道支撐不同隨機變量組合的可靠度指標值均大于5，說明樁結構的有效概率接近于100%，基坑不可能發生失穩現象。（2）隨著基坑的開挖，計算所得的各支撐的不同組合的可靠度指標的有所降低，說明基坑開挖越深，對樁結構的影響越大。（3）中間3道支撐各組合間的可靠度指標相差無幾，說明基坑中間位置設置多道支撐可以保證基坑的穩定。

與施工時實際監測成果比對，（1）支護結構水平位移最大值出現在基坑臨近既有站的兩個角點位置處，說明基坑角點處是危險處，必須在基坑角點處設置足夠的支撐。（2）隨著基坑的施工，各監測點的位移在不斷的增大，說明在基坑施工的過程中要合理設置坑支護結構。（3）在基坑剛開始施工時，地表的變形幅度最大，然后隨著基坑的開挖，地表位移逐漸趨于平緩，說明基坑剛開挖時對地面的影響最大。

3、與實際數據比對分析

根據現場監測數據研究基坑施工過程中的支護結構變形及對既有地鐵車站的影響。結論如下：

（1）五道支撐不同隨機變量組合的可靠度指標值均大于5，說明樁結構的有效概率接近于100%，基坑不可能發生失穩現象。

（2）隨著基坑的開挖，計算所得的各支撐的不同組合的可靠度指標的有所降低，說明基坑開挖越深，對樁結構的影響越大。

（3）中間3道支撐各組合間的可靠度指標相差無幾，說明基坑中間位置設置多道支撐可以保證基坑的穩定。