建陽(yáng)某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

佘清榮

(福建省華廈能源設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350003)

0 引言

近些年來(lái)，深基坑工程事故頻發(fā)，造成了十分惡劣的影響，警示工程界技術(shù)人員，控制基坑工程的安全、沉降及變形等的方法需不斷地提升與完善，對(duì)基坑工程的研究理念不應(yīng)停留在原始的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)上[1]。

本文以建陽(yáng)某深基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)采用經(jīng)典的極限平衡法和彈性地基梁法與有限元數(shù)值分析方法對(duì)比分析，對(duì)深基坑工程的變形控制及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究探討。

1 工程簡(jiǎn)介

該基坑位于建陽(yáng)市西區(qū)生態(tài)城B-17地塊，場(chǎng)地屬低丘地貌單元，大部分為填方區(qū)，經(jīng)人工改造后較平坦開(kāi)闊。場(chǎng)地基坑開(kāi)挖深度為5.10m～18.80m，基坑面積約12 499m2。主要揭露的巖土層有素填土，全風(fēng)化片巖和砂土狀全風(fēng)化片巖。場(chǎng)地地下水主要為賦存于第四系松散層的孔隙水和基巖裂隙水，水位埋深為4.98m～17.65m。工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 地層剖面圖

2 基坑支護(hù)方案

該深基坑工程各段支護(hù)形式依據(jù)基坑安全等級(jí)、場(chǎng)地周邊環(huán)境及地下水等因素，分段采取不同支護(hù)方案，主要可分為3種：放坡、土釘墻支護(hù)、土釘墻聯(lián)合樁錨支護(hù)[2]。此處針對(duì)土釘墻支護(hù)及土釘聯(lián)合樁錨兩種支護(hù)方案，采用傳統(tǒng)極限平衡法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)計(jì)算采用土層參數(shù)如表1所示。

表1 地層參數(shù)

2.1 土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)方案

選取典型土釘墻支護(hù)方案EF段設(shè)計(jì)剖面如圖2所示。EF段基坑等級(jí)為二級(jí)，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)取1.05，超載值取15kPa，分兩級(jí)支護(hù)，每級(jí)高度6m，共布置7根錨桿。第一級(jí)邊坡從下至上長(zhǎng)度分別為12、12、15、18，第二級(jí)邊坡錨桿長(zhǎng)度皆為18m。錨桿豎向間距為1.50m，水平間距1.20m。單孔設(shè)計(jì)拉力除最底下兩根為80kPa，其余皆為100kPa。土壓力計(jì)算錨桿標(biāo)準(zhǔn)抗拉力時(shí)將坡腳與坡頂連接成一個(gè)坡面進(jìn)行不同位置錨桿抗拉力設(shè)計(jì)[3]。

圖2 EF段土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)剖面

經(jīng)驗(yàn)算，開(kāi)挖過(guò)程中的各工況穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3，最后工況安全系數(shù)為1.34，整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求[2]。

2.2 土釘墻聯(lián)合樁錨支護(hù)設(shè)計(jì)方案

選取典型土釘墻聯(lián)合樁錨支護(hù)方案GH段設(shè)計(jì)剖面如圖3所示。GH段基坑等級(jí)為一級(jí)，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)取1.1，超載值取15kPa。排樁采用沖孔灌注樁，直徑1.2m，間距2m，并在冠梁處設(shè)置第一排預(yù)應(yīng)力錨桿，在支護(hù)樁中間施工第2、3排預(yù)應(yīng)力錨桿。上部采取土釘墻支護(hù)方案，土釘間距1.5m×1.5m，長(zhǎng)度為12m。上部土釘墻與下部樁錨分別進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，上部土釘墻計(jì)算達(dá)到穩(wěn)定要求后，再進(jìn)行下部樁錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 GH段土釘墻聯(lián)合樁錨支護(hù)圖

經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的最大樁身彎矩、剪力及水平位移分別為1979.59kN.m/m、726.33kN/m及25.56mm。穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果顯示，各工況穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3，整體穩(wěn)定安全系數(shù)為2.01，滿足規(guī)范要求。

3 Plaxis有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)典土力學(xué)計(jì)算方法只能驗(yàn)算基坑整體穩(wěn)定性，無(wú)法得到基坑整體與周邊環(huán)境的沉降與變形量[4]。本文借助Plaxis有限元計(jì)算程序模擬基坑沉降與變形，基于強(qiáng)度折減法理論對(duì)基坑安全穩(wěn)定進(jìn)一步驗(yàn)算[5-6]，與經(jīng)典極限平衡方法及彈性地基梁法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比并作出優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 土釘墻優(yōu)化模擬

EF段支護(hù)模型有限元網(wǎng)格劃分精度基于15單元節(jié)點(diǎn)，幾何模型構(gòu)建的尺寸為：水平方向?yàn)?0m，豎直方向?yàn)?2m。土釘可以由土工格柵來(lái)模擬，主要輸入?yún)?shù)為軸向剛度EA值為3.17×105kN/m。混凝土面層可以用板來(lái)模擬，主要輸入?yún)?shù)為抗彎剛度EI值為2125.00 kNm2/m和軸向剛度EA值為2.55×106kN/m。采用與極限平衡法計(jì)算的設(shè)計(jì)參數(shù)等效換算成Plaxis中模擬的單元參數(shù)，得到總位移圖、地表沉降圖如圖4所示。

(a)總位移

(b)地表沉降圖4 EF段總位移、地表沉降圖

對(duì)比優(yōu)化分析，不改變其他參數(shù)，只改變土釘長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化。改變后土釘長(zhǎng)度前4排由18m縮短為15m，第5排由15m縮短為13m，最后兩排長(zhǎng)度不變。經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析得到優(yōu)化后EF段的總位移、地表沉降圖如圖5所示。

Plaxis模擬優(yōu)化前后的安全系數(shù)分別為1.47和1.38，皆能夠滿足規(guī)范要求。

由上述計(jì)算分析可知，將極限平衡方法的土釘墻支護(hù)方案的支護(hù)參數(shù)轉(zhuǎn)化為Plaxis相對(duì)應(yīng)的模擬單元參數(shù)，模擬的結(jié)果同樣滿足變形要求，安全系數(shù)大于1.3，同樣滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)誤差為3.7%。此見(jiàn)，在基坑整體位移量變化不大，同時(shí)滿足變形要求和安全系數(shù)要求的情況下，土釘長(zhǎng)度可適當(dāng)縮短，節(jié)省材料，優(yōu)化方案，從而降低工程造價(jià)。

(a)總位移

(b)地表沉降圖5 優(yōu)化后EF段總位移、地表沉降圖

3.2 土釘墻聯(lián)合樁錨優(yōu)化模擬

錨桿的等效模擬單元可以由一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿和土工格柵的組合單元來(lái)模擬[7]，其中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿用以模擬錨桿的自由段，而土工格柵用以模擬注漿體。土工格柵(錨桿)軸向剛度EA值為4.09×105kN/m，錨桿(自由段)EA值為1.6×105kN/m，錨桿間距為2m。

Plaxis軟件可對(duì)地下連續(xù)墻進(jìn)行模擬，灌注樁的模擬應(yīng)該進(jìn)行對(duì)地下連續(xù)墻的厚度的等效換算，換算依據(jù)為兩者剛度相等原則下進(jìn)行[7]，如式(1)所示。由此可得地下連續(xù)墻的兩個(gè)重要指標(biāo)軸向剛度EA值為2.544×107kN/m。抗彎剛度EI值為1.52×105kNm2/m。

(1)

式中：D—灌注樁直徑；b，d—等效板矩形邊長(zhǎng)。

經(jīng)模擬設(shè)計(jì)計(jì)算，可得到GH段灌注樁剪力彎矩、水平位移及地表沉降圖如圖6所示。

(a)樁身水平位移、彎矩、剪力圖

(b)地表沉降圖圖6 GH段樁身水平位移、彎矩、剪力及地表沉降圖

采用強(qiáng)度折減法算的穩(wěn)定安全系數(shù)為2.31，滿足規(guī)范要求。各道錨桿最大拉力值為362.1kN，滿足錨桿抗拔力要求。Plaxis與彈性地基梁法計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 強(qiáng)度折減法與彈性地基梁法結(jié)果對(duì)比

由表2可知，Plaxis模擬GH段安全系數(shù)與極限平衡方法所得誤差相對(duì)較大為15%，主要影響因素為采用深基坑軟件計(jì)算時(shí)上部土釘墻支護(hù)與下部樁錨支護(hù)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，忽略了上部土釘墻的作用，從而使計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏于保守。

樁身最大水平位移量位于距樁頂5m的位置，預(yù)應(yīng)力起到很好的控制樁身位移的效果。Plaxis有限元所得灌注樁剪力、彎矩值都遠(yuǎn)小于彈性地基梁法所得的計(jì)算結(jié)果，圍護(hù)樁配筋減少，

樁身位移量略大但滿

足規(guī)范要求，能夠達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)，且滿足安全穩(wěn)定的要求。

3 結(jié)論與建議

本文結(jié)合建陽(yáng)某深基坑工程進(jìn)行基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，得出以下結(jié)論與建議：

(1)在基坑整體位移量變化不大，同時(shí)滿足變形和安全系數(shù)要求的情況下，土釘長(zhǎng)度可適當(dāng)縮短，節(jié)省材料，降低工程造價(jià)。

(2)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件無(wú)法得到基坑的變形量與周邊環(huán)境的地表沉降量，采用Plaxis有限元模擬不但可以進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，還可以同時(shí)獲得支護(hù)樁結(jié)構(gòu)的變形、各開(kāi)挖工況的位移量以及地面沉降量，提高了支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性和安全性，以期取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

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