深基坑工程支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

樊啟廣 周航生 李本悅 徐 成

(1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310028; 2.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310014)

基坑工程的開挖與支護(hù)一直是一個(gè)綜合性的工程難題，涉及各個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，隨著城市擴(kuò)張，科技發(fā)展，關(guān)于基坑開挖的計(jì)算也有了很大的改進(jìn)。外國學(xué)者Terzaghi和Peck根據(jù)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在20世紀(jì)60年代提出了著名的Terzaghi-Peck表觀土壓力用于基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)，并且被國際工程廣泛使用。而我國則是在改革開放之后80年代，由于城市高速發(fā)展出現(xiàn)了大量基坑工程［1，2］。但在建設(shè)初期，基坑工程并不受重視，沒有系統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算方法和理論，導(dǎo)致工程事故頻頻發(fā)生。進(jìn)入90年代，城市發(fā)展更是導(dǎo)致了基坑工程建設(shè)的熱潮，基坑問題也受到了工程各界越來越多的關(guān)注。在建設(shè)部頒布了《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》之后，上海、廣州等城市也根據(jù)自己的地域要求頒布了地方技術(shù)規(guī)程［3］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得有限元軟件在基坑工程計(jì)算上也得到了廣泛的應(yīng)用，為基坑工程的建設(shè)提供了越來越科學(xué)的計(jì)算依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者也做了很多這方面的研究，高文華等［4］通過建立三維有限元分析模型，同時(shí)考慮基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)和基坑周邊土體的流變效應(yīng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響，計(jì)算出在不同工況下土體和結(jié)構(gòu)的位移。

1 基坑工程計(jì)算方法簡(jiǎn)述

一般基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)均簡(jiǎn)化為受側(cè)向土壓力作用的受力結(jié)構(gòu)，根據(jù)多年的技術(shù)發(fā)展，主要的基坑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法大致可以歸納為以下3 種類型［5］。

1.1 經(jīng)典方法

利用經(jīng)典的理論土壓力方法將圍護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為受側(cè)向荷載的梁系。這種方法非常簡(jiǎn)單，可以手算估測(cè)，但是并不能分析結(jié)構(gòu)位移，也不能考慮施工對(duì)工程的影響。

1.2 彈性地基梁法

將水平支撐看成一個(gè)彈性支點(diǎn)，側(cè)邊土體看成連續(xù)分布的土彈簧，土壓力計(jì)算則采用經(jīng)典的土壓力理論。

1.3 有限元法

把土和圍護(hù)劃分成單元，確定邊界條件，土體根據(jù)其特性選用相應(yīng)的本構(gòu)模型模擬。早期二維模型較多，為滿足變形的空間效應(yīng)，三維模擬也很快發(fā)展起來。因?yàn)槟苡沙绦蛟O(shè)定考慮工況和施工步驟，倍受新學(xué)者青睞。但實(shí)際工作中由于本構(gòu)模型參數(shù)不易確定，程序本身較為復(fù)雜對(duì)模擬人員要求很高，而且根據(jù)各方實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，很多分析依然太過于理想，與現(xiàn)實(shí)差距較大，因此該方法并未在工程實(shí)踐中得到普遍應(yīng)用。而隨著軟件的發(fā)展和理論的充實(shí)，越來越多的復(fù)雜工程必須依賴有限元計(jì)算，有限元法必將成為以后工程設(shè)計(jì)分析的主流。

2 工程概況

擬建場(chǎng)地現(xiàn)為綠化地，地勢(shì)平坦。基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)為高層居民住宅區(qū)，樁基礎(chǔ)、一層地下室，基坑北側(cè)、西側(cè)為市政道路，人行道與道路下埋設(shè)有雨水管道、給水管道、通訊管道、污水管道、電力管道。地下室外邊線離東側(cè)、南側(cè)居民樓約6 m，離北側(cè)、西側(cè)道路僅2 m～3 m，場(chǎng)地用地條件非常緊張。

擬建安置房為一幢8層三產(chǎn)配套用房，框架結(jié)構(gòu)，設(shè)2層地下室，工程樁采用灌注樁。工程的北面和西面是城市交通干道，東面和南面是已有小區(qū)住宅樓。

場(chǎng)地地表15 m深度范圍內(nèi)為透水性強(qiáng)的砂質(zhì)粉土和粉砂，深部為透水性差的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。本項(xiàng)目場(chǎng)地用地條件非常緊張，緊鄰民居和道路，無放坡空間。綜合考慮:采用鉆孔灌注樁+一道鋼筋混凝土支撐的支護(hù)方式，坑外采用三軸攪拌樁止水，同時(shí)坑外采用自流深井將坑外水位降低至地表以下4 m(勘察期間的地下水位)。

地形、地下水條件為:擬建場(chǎng)地位于錢江南岸沖—海積平原，上部以砂質(zhì)粉土和粉砂為主。擬建場(chǎng)地表面為綠化地，上部為填土層鋪墊，場(chǎng)地平坦，地面高程6.6～6.9。孔隙潛水賦存于上部砂質(zhì)粉土及粉砂層中，地下水受大氣降水及地表水補(bǔ)給，地下水位受季節(jié)性及氣候影響變化很大，常年水位約為1.00 m～1.20 m，雨季時(shí)可達(dá)地表，受場(chǎng)地地勢(shì)及鄰近場(chǎng)地井點(diǎn)降水施工影響，勘察期間測(cè)得地下水位埋深3.70 m～4.00 m。

圖1 支撐平面布置圖

要減少基坑對(duì)周邊的影響水平支撐就顯得相當(dāng)重要，本項(xiàng)目就對(duì)基坑支撐的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬分析，水平支撐具體做法如下:如圖1所示:冠梁截面尺寸1 000×700(高)、圍檁截面尺寸1 000×800(高)、主支撐截面尺寸800×800(高)、次支撐截面尺寸600×800(高)。配筋見圖2，支撐混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30;主筋為HRB400;鋼立柱不在支撐范圍內(nèi)時(shí)須加挑梁或加大支撐節(jié)點(diǎn)搗角寬度，挑梁做法同主支撐;未注明鋼筋錨固長(zhǎng)度均為35d;保護(hù)層厚度20 mm。

圖2 冠梁、圍檁、主支撐、次支撐配筋圖

3 ANSYS計(jì)算分析

本論文僅根據(jù)設(shè)計(jì)分析支撐的受力及位移，采用國際通用的商業(yè)有限元軟件ANSYS建立支撐體系的空間分析模型。支撐受力計(jì)算模型見圖3。

圖3 支撐受力計(jì)算模型

輸入支撐結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)尺寸和材料數(shù)據(jù)，根據(jù)剖面計(jì)算結(jié)果，作用在冠梁的荷載強(qiáng)度為q=250 kN/m，支撐變形和受力計(jì)算結(jié)果如下。

由圖3分析得:支撐最大變形為16 mm，位于基坑?xùn)|南面的圍檁中間。

圖4 支撐變形

如圖4所示:冠梁支座處最大彎矩計(jì)算值2 190 kN·m，跨中最大彎矩計(jì)算值1 800 kN·m。按跨中彎矩控制配筋，圍檁截面尺寸 1 000 mm ×800 mm，對(duì)稱配筋，單側(cè)需配 12Ф25，實(shí)配12Ф25。如圖5所示:支撐最大軸力計(jì)算值為3 770 kN，主撐截面800 mm×800 mm，抗力為9 100 kN＞3 770 kN。如圖6所示:支撐自重最大彎矩計(jì)算值335 kN·m。支撐截面尺寸800 mm×800 mm，對(duì)稱配筋，單側(cè)需配4Ф22，實(shí)配7Ф22。

圖5 冠梁彎矩（支座最大彎矩2 190 kN·m，跨中最大彎矩 1 810 kN·m）

圖6 支撐自重彎矩（最大彎矩335 kN·m）

4 結(jié)語

基坑支護(hù)技術(shù)涉及因素很多，針對(duì)建筑基坑支護(hù)的問題，本文簡(jiǎn)單介紹了常用的計(jì)算方法，然后結(jié)合工程實(shí)際案例，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐部分進(jìn)行分析，計(jì)算出相應(yīng)的受力情況、位移和彎矩等信息。在之后的工作中需要獲取該工程施工過程中的相關(guān)信息，用以驗(yàn)證有限元分析的科學(xué)性，為今后的支護(hù)方案分析提供依據(jù)。

［1］劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997：1-5.

［2］徐希萍.深基坑支護(hù)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.福建建筑，2008，116(2)：34-36.

［3］龔曉南，高有潮.基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998：3-11.

［4］高文華，楊林德.軟土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的三維有限元分析［J］.工程力學(xué)，2000(2)：124-140.

［5］楊光華.深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用計(jì)算方法及其應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2004，25(12)：1885-1896.

［6］趙光輝，彭 昊，高 博.基于ANSYS的某軟土基坑有限元分析［J］.山西建筑，2012，38(16)：83-84.