三維數值分析技術在江花綜合大樓基坑優化設計中的應用研究

徐德馨，張春梅，施木俊

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 工程概況

江花綜合大樓工程北臨武漢市江岸區三陽路、東臨中山大道、西臨京漢大道，該工程總用地面積2.34公頃，由1棟13層、1棟15層、1棟2層辦公樓以及3棟18層住宅樓組成。6棟擬建建筑物在平面布局上組成類似于“四合院”型，擬設置2層滿鋪地下室，基礎埋置深度約10.60 m。地下室形狀呈長方形，基坑周長約516 m，面積約14400 m2，開挖深度9.4 m～10.6 m。

圖1 基坑開挖到坑底后現場照片

擬建場地屬長江沖積Ⅰ級階地地貌形態，工程開挖深度大，周邊環境及地質條件較復雜，工程規模大，故該基坑重要性等級為一級。

綜合考慮本工程場地地質條件、周邊環境的嚴峻性和復雜性，在充分利用周邊環境放坡卸載的基礎上，采用樁撐方案。

2 計算參數的選取

根據江花基坑設計圖紙尺寸，建立全基坑三維模型，模擬了基坑分步開挖。支護樁為鉆孔灌注樁，樁長13.0 m～16.0 m，樁徑0.8 m～0.9 m，樁間距1.3 m;鎖口梁寬1.2 m，高0.7 m，與支護樁一樣，采用c30混凝土澆筑;基坑底板采用c30混凝土，底板與樁排間填充c15素混凝土，與底板同厚;內支撐、型鋼尺寸和布置均按設計報告設置。

基坑數值分析土層計算參數表 表1

基坑數值分析時支護樁、鎖口梁與內支撐均采用線彈性模型，彈性模量 E=27000 MPa，泊松比v=0.2，樁與鎖口梁、內支撐單元均采用三維梁結構單元;底板采用殼單元模擬，彈性模量取c30混凝土的70%即21000 MPa;型鋼斜支撐采用A3鋼，彈性模量取為2.0 ×105MPa［1～4］。土體本構模型采用 Mohr － Coulomb彈塑性模型，土體單元采用三維8節點減縮單元。土層基本土性指標由勘察報告所得，有限元計算的變形模量E0由勘察報告上的土體狀態以及壓縮模量ES根據《巖土工程勘察實用技術研究》、《基坑工程手冊》所給的關系結合經驗所得［5～8］。基坑土體力學參數如表1所示。

3 計算結果分析

圖2 支護體系數值分析模型

圖3 拆除內支撐前后數值分析模型

基坑開挖模擬計算順序:首先支護樁與粉噴樁施工至設計深度;然后從基坑開挖邊線處以1∶0.6的坡比向坑內開挖，挖深4.0 m;其次開挖一個4.0 m寬的卸荷平臺，施工鎖口梁和內支撐;再次垂直開挖6.0 m到坑底，施工基坑底板和豎向H型鋼斜支撐;最后在底板混凝土達到70%強度后分片拆除內支撐。按上述設計方案建立有限元分析模型(基坑全局模型單元數量很多，基坑立柱樁簡化為豎向鏈桿約束，減小了支護結構的整體剛度，計算結果偏于安全)。有限元計算結果包括整個基坑土體與支護結構的應力分布和變形分布情況，選取典型分析過程的計算結果云圖示意如下(本文計算結果圖中位移單位為m、力單位為kN、應力單位為kPa):

3.1 鎖口梁位移

圖4為基坑開挖到坑底，內支撐未拆除前，鎖口梁位移分布矢量圖。有限元計算結果表明:三陽路側鎖口梁最大位移為19.0 mm，中山大道側鎖口梁最大位移為13.3 mm，華清園側鎖口梁最大位移為14.6 mm，京漢大道側鎖口梁最大位移為16.9 mm。監測結果依次為:17.0 mm、11.0 mm、15.0 mm、13.0 mm。計算結果和監測結果比較接近。

圖4 開挖到坑底后鎖口梁位移分布矢量圖

圖5為基坑開挖到坑底，加設豎向H型鋼斜支撐，全部拆除內支撐后，鎖口梁位移分布矢量圖。有限元計算結果表明:三陽路側鎖口梁最大位移為33.2 mm，中山大道側鎖口梁最大位移為27.3 mm，華清園側鎖口梁最大位移為29.8 mm，京漢大道側鎖口梁最大位移為32.3 mm。監測結果依次為:33.0 mm、29.0 mm、38.0 mm、34.0 mm。計算結果和監測結果總體比較接近，監測變形結果偏大，分析其原因，主要是:H型鋼斜支撐頂住鎖口梁的節點與鎖口梁底部接觸點未接觸緊密，給了鎖口梁樁排變形的空間，因而基坑各段實際變形較大。

圖5 拆除內支撐后鎖口梁位移分布矢量圖

從圖4和圖5兩個圖綜合分析可以得到，基坑角點變形均較小，在圖5中體系得尤為明顯，充分體現了基坑的空間效應。在圖4的情況，由于基坑全坑有剛度很大的內支撐支護，基坑的空間效應體現得不如圖5情況那么明顯。

3.2 內支撐軸力

各監測點實測軸力和計算軸力結果見表3，實測結果與計算結果比較一致，計算結果總體稍稍偏大，偏于安全。

圖6 開挖到坑底后基坑內支撐軸力分布云圖

圖6表示開挖到坑底后內支撐軸力分布情況，從圖6中，可以知道每一根內支撐梁所受的軸力，有限元計算結果表明，內支撐軸力最大值為3580 kN，最大拉應力為430.1 kN。采用有限元計算的方法，還可以計算各梁段剪應力和彎矩，從各梁段應力分布情況可以給梁進行截面設計和配筋，針對產生較大拉應力、剪應力和彎矩的梁段可以分別配筋以及選取合適的截面型式和尺寸，使設計既經濟又安全。

內支撐監測點實測軸力與計算軸力對比表 表2

3.3 樁排彎矩

基坑開挖到坑底后，在未拆除內支撐前，有限元計算得到樁排的彎矩，監測樁共6根，現把計算結果與監測結果列表見表3:

從表3計算結果可比較得出，計算結果與監測結果大體一致，計算彎矩結果在基坑結構設計中作為標準值。

監測樁實測彎矩與計算彎矩最大值對比表/kN·m 表3

監測樁實測彎矩與計算彎矩最大值對比表/kN·m 表4

基坑開挖到坑底后，加設斜支撐、拆除內支撐后，計算結果與監測結果列表如表4。從表4計算結果可比較得出:監測樁負彎矩(即樁上端彎矩)計算最大值與監測結果相比總體偏大，監測樁正彎矩(即樁下端彎矩)計算最大值與監測結果相比總體偏小。

從表3和表4綜合分析可得，無論是計算結果還是監測結果，拆除內支撐前后，樁身彎矩絕對值最大值在減小，樁下端彎矩增大。可見，支護樁最大配筋計算以拆除內支撐前的狀態確定，結合樁下端彎矩最大值分布情況(監測結果表明樁下端最大彎矩位于樁底以上2.0 m處，計算結果表明樁下端最大彎矩位于樁底4.0 m或以上位置)，樁下端配筋可以適當減少，在保證安全的前提下，減少工程造價。

4 拆除內支撐前加設斜支撐與否對比分析

通過上述數值分析計算結果與監測結果的比較分析，數值分析計算與監測結果較吻合，數值分析反映出的整個基坑的變形情況和支護結構應力分布對基坑支護設計與施工以及基坑課題研究都有著重要意義。下面來進行拆除內支撐前是否加設斜支撐進行方案對比分析。若不加設斜支撐，數值分析計算得到鎖口梁位移分布見圖7:

圖7 不加斜支撐拆除內支撐后鎖口梁位移分布矢量圖

從圖7中可以看到:基坑鎖口梁位于三陽路側最大位移為42.1 mm，中山大道側最大位移為36.3 mm，華清園側最大位移為39.6 mm，京漢大道側最大位移為40.1 mm;并且各鎖口梁段除了角部位移較小外，其他都以接近最大位移值向坑內滑移。

數值分析對比計算結果表明:在拆除內支撐前，若不加設豎向斜支撐，鎖口梁最大位移超過40 mm，不滿足湖北省地方標準《基坑工程技術規程》對一級基坑支護體系最大水平位移不超過40 mm的要求;通過對比分析后，在變形最大位置按照一定間距布置了一定數量的豎向斜支撐，工程造價增加不多，位移控制的效果較好，充分反映了三維數值分析在基坑優化設計中的作用。

5 數值分析經濟效果

上海同類基坑工程一般采用二層支撐，且支撐梁間距少，截面大。筆者在江花綜合大樓基坑工程設計中，在對以往工程深入分析的基礎上，結合場地條件，大膽地采用一層雙環狀內支撐，方便了土方開挖，對節省工期和造價十分有利。在此基礎上，采用三維數值分析技術，還對支護結構進行了大量的優化工作，如進行了鉆孔樁及方樁經濟與可行性分析，支撐設置高度綜合對比分析。在詳細設計階段，對樁底端彎矩較少的部分主筋減半，用Ⅲ級鋼筋置換Ⅱ級鋼筋。僅這兩項，節約鋼筋直接成本28萬元。還對內支撐進行優化，使內支撐設置跨度大，截面小，節省直接成本25萬元。與上海同類基坑相比，內支撐設計截面尺寸僅為上海內支撐的截面的70～85%，總方量為上海同類基坑的60～80%。江花綜合大樓內支撐造價僅為上海同類內支撐基坑造價的70%左右。

6 結論

(1)通過對江花綜合大樓深基坑工程進行全過程施工三維有限元數值分析，可以得到基坑施工不同階段的變形和應力分布情況，通過與基坑監測資料的對比，表明數值分析的結果是比較準確的，積累了采用三維數值分析技術對大型基坑進行分析的經驗。

(2)采用三維數值分析技術，可以充分考慮基坑內支撐的空間布置以及基坑的空間效應，可以很好實現對大型深基坑進行施工全過程的模擬，使基坑設計方案更加優化。

(3)通過對兩種內支撐拆撐方案的對比分析以及基坑設計過程中支護結構不同截面型式和尺寸等方案進行對比分析，為基坑優化設計提供了參考，取得了可觀的經濟效益。

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