深基坑單排樁支護結構受力分析

王 飛

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，地鐵、明挖公路隧道及高層建筑的大規模興起，先后出現了越來越多的基坑工程[1]。由于基坑工程涉及巖土和結構工程，基坑工程的安全性成為基坑設計、施工監測中關注的重點。針對地鐵及高層建筑的深基坑，國內已積累了豐富的工程設計經驗和相對成熟的結構計算方法，并將之應用于明挖公路隧道深基坑工程的設計[2]。然而，明挖公路隧道基坑深度大多在13 m以下，較地鐵及高層建筑基坑淺得多，僅依靠以往工程設計經驗是偏保守的，片面的。在基坑安全監測過程中，需要掌握單排樁支護結構變形、周邊地表沉降及支撐軸力等特性。為此，需對明挖公路隧道支護結構進行受力分析，探明其最不利荷載工況、結構變形規律及基坑影響范圍周邊地表沉降量，以期能夠為基坑安全監測提供有力的技術支撐。

1 排樁支護結構分析原理

1.1 基本假設

a）單排樁水平荷載計算寬度取樁的中心距。

b）基坑外側水平荷載標準值eaik參考規程[3]第3.4.1條規定。

c）考慮放坡對主動土壓力的影響，采用文獻[4]中的處理方法，即將放坡等效為荷載。

d）支護結構剛度折減系數取0.85[3]。

1.2 計算原理

排樁支護結構的計算方法采用彈性支點法，即把支撐作為一個彈性支點，對彈性地基梁的微分方程進行求解，地基土抗力按m法計算[5]。

抗傾覆安全系數按式（1）進行計算。

式中：Ks為抗傾覆穩定性安全系數；Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內支撐支點力由內支撐抗壓力決定;對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

1.3 施工階段模擬

a）開挖過程 荷載增量為主動側土壓力的增量、被動側土體彈性作用由于開挖而造成的剛度損失以及主動側土體彈性作用卸載后的土反力[6]；支撐由支撐彈性作用和開挖面以下的土體彈性作用組成。

b）加撐過程 荷載增量為加在該支撐上的預加力，支承由其他支撐彈性作用、開挖面以下土體彈性作用以及主動側土體彈性作用組成。

2 工程概況

某明挖公路隧道基坑開挖深度12.95 m，開挖至3.4 m時設一道橫向支撐，考慮汽車荷載作用，在此取為20 kN/m，基坑橫斷面圖如圖1所示，巖土力學參數如表1所示。

表1 巖土力學參數表

圖1 基坑橫斷面 （單位：m）

3 結構受力分析

3.1 土壓力計算

土壓力采用經典法土壓力模型，如圖2所示。

3.2 施工工況劃分

施工過程劃分為以下3個工況，如表2所示。

圖2 土壓力計算模型

表2 施工工況

3.3 結構計算

對各施工工況內力及變形進行求解，得到各工況下的單排樁支護結構的內力及變形情況，具體如圖3～圖6所示。

圖3 工況1

圖4 工況2

圖5 工況3

圖6 地表沉降圖

由圖3～圖7可以看出，基坑在施工過程中最不利工況為工況3即設一道橫撐后基坑開挖至12.95 m的施工階段，排樁最大水平位移達到33 mm，橫向支撐最大軸力達到1 062 kN，有必要對該工況進行重點監測。

3.4 穩定性驗算

3.4.1 整體穩定驗算

圖7 整體穩定驗算 （單位：m）

計算方法采用瑞典條分法，應力狀態按總應力法計算，如圖7所示。其中，條分法中的土條寬度：1.00 m，整體穩定安全系數 Ks=1.053，圓弧半徑R=15.299 m，圓心坐標 X=-0.280 m，圓心坐標Y=12.188 m。

3.4.2 抗傾覆穩定性驗算

抗傾覆安全系數：

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內支撐支點力由內支撐抗壓力決定，對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

工況1：

Ks=10.690≥1.200,滿足規范要求。

工況2：

Ks=16.754≥1.200,滿足規范要求。

工況3：

Ks=1.786≥1.200,滿足規范要求。

安全系數最小的工況號：工況3。

最小安全系數Ks=1.786≥1.200，能夠滿足規范要求。

通過對單排樁支護結構變形、結構內力、基坑影響范圍周邊地表沉降、結構整體穩定性和抗傾覆穩定性進行分析，可得到支撐結構內力、支護頂水平位移、基坑影響范圍周邊地表沉降量，為基坑安全監測提供了預警限值，為基坑施工過程安全監控提供技術支撐。

4 結論

a）基坑在施工過程中最不利工況為設一道橫撐后基坑開挖至12.95 m的施工階段，排樁最大水平位移達到33 mm，橫向支撐最大軸力達到1 062 kN。

b）單排樁支護結構變形、結構內力、基坑影響范圍周邊地表沉降分析結果，可為基坑支護結構安全監測提供預警限值。