基于彈性支點法的深基坑支護結構分析

劉素萍

（山西四建集團有限公司，太原 030032）

1 工程概況

本基坑工程開挖深度較大，為方便施工，基坑-5 m 以上部分和以下部分采用不同的支護形式。基坑-5 m 以下部分的錨索共設置4 道。具體見表1。

表1 基坑支護形式概況

各土層厚度和物理力學參數請參照表2。

表2 巖土材料參數

2 計算流程

本案例采用GEO5 巖土軟件進行計算分析，共分為以下6 個計算工況：

工況階段[1]：基坑放坡開挖至-5.0 m 并采用土釘支護；工況階段[2]：基坑開挖至-6.9 m；工況階段[3]：設置第1 道錨索，并將基坑開挖至-9.4 m；工況階段[4]：設置第2 道錨索，并將基坑開挖至-11.9 m；工況階段[5]：設置第3 道錨索，并將基坑開挖至-14.4 m；工況階段[6]：設置第4 道錨索，并將基坑開挖至-16.6 m。本案例采用彈性支點法分析，在分析設置界面中確認選擇的標準為“中國國家標準”，分析方法采用的是“彈性支點法JGJ 120—2012”，結構重要性系數設置為1.1[1]。

水平反力系數的確定：

按照JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》（以下簡稱《基坑規程》）規定，基坑內側土的水平反力系數可按式（1）計算：

式中，m 為土的水平反力系數的比例系數，kN/m4；z 為計算點距地面的深度，m；h 為計算工況下的基坑開挖深度，m。

土的水平反力系數的比例系數宜按樁的水平荷載試驗及地區經驗取值，缺少試驗和經驗時，可按經驗公式（2）計算[2]：

式中，m 為土的水平反力系數的比例系數，MN/m4；c 為土的黏聚力，kPa；φ 為土的內摩擦角，（°）；對多層土，c、φ 按不同土層分別取值；Vb為擋土構件在坑底處的水平位移量，mm，當此處的水平位移不大于10 mm 時，可取Vb=10 mm。

排樁計算寬度的確定：

根據《基坑規程》，排樁的土反力計算寬度應按公式（3）和（4）計算：

對圓形樁：

對矩形樁或工字形樁：

式中，b0為單根支護樁上的土反力計算寬度，m；當按公式計算的b0大于排樁間距時，b0取排樁間距，m；d 為樁的直徑，m；b為矩形樁或工字形樁的寬度，m。

支擋結構前（坑內）土層尚未開挖或開挖深度很淺時，支護結構位移很小，選擇坑外土壓力為主動土壓力計算出來的結構變形規律有時候和實際并不相符。此時需要修改坑外土壓力為靜止土壓力，從而符合實際的坑外土壓力分布情況。此外，需要嚴格限制支護結構的水平位移，根據《基坑規程》建議，支護結構外側的土壓力宜取靜止土壓力[3]。

2.1 各工況階段分析計算

2.1.1 工況階段[1]

該工況的主要分析任務是驗算基坑放坡的穩定性，根據實際情況對土質邊坡穩定性進行計算、分析，在基坑放坡處繪制1 條初始計算滑面。分析方法采用“畢肖普法”，計算結果顯示，最不利滑動面的安全系數為0.92，邊坡處于失穩狀態，所以必須采用支護措施。

考慮設置土釘的支護措施，坡面設置3 道土釘，豎向間距為1.5 m，距離地面分別為1.6 m、3.1 m 和4.6 m。土釘長度分別為10 m、10 m、6 m，傾角為10°，水平間距為1.5 m，錨桿采用單根φ22 mm 螺紋鋼。

計算結果顯示，最不利滑動面的安全系數為2.05，邊坡處于穩定狀態，可見土釘起到了很好的支護作用。

2.1.2 工況階段[2]～[6]

工況[2]～[6]考慮添加錨桿，充分考慮錨桿的軸向剛度系數。將基坑深度分別設置為1.9 m、4.4 m、6.9 m、9.4 m、11.6 m。作用在結構后的土壓力作為主動土壓力考慮。根據“水平反力系數+土壓力”“內力”“位移+土壓力”計算結果包絡圖（見圖1）。不同工況下力學計算結果如表3 所示。

圖1 所有工況排樁位移、彎矩及剪力包絡圖

表3 不同工況下力學計算結果

計算結果顯示，錨桿內部穩定性滿足要求。最不利滑動面的安全系數為2.09，基坑整體穩定性滿足設計要求。

2.2 樁身配筋和抗剪、抗壓驗算

對樁身進行配筋和抗剪、抗壓驗算，同時，驗算截面強度，根據《基坑規程》規定，支護結構構件按承載能力極限狀態設計時，作用基本組合的綜合分項系數應不小于1.25。故將作用基本組合的綜合分項系數設置為1.25，配筋直徑設置為28 mm，鋼筋數量設置為15 根，混凝土保護層厚度設置為50 mm。驗算結果顯示，排樁抗剪、抗彎及配筋率均滿足要求。

2.3 錨索驗算

最后，對錨索的極限抗拔承載力和受拉承載力進行驗算，錨索第1 排到第4 排極限抗拔承載力標準值分別為：408 k N、490 kN、613 kN 和613 kN；錨桿軸向拉力標準值分別為103 kN、226 kN、332 k N 和300 kN；安全系數分別為3.96、2.16、1.84 和2.04。錨索第1 排到第4 排錨索軸向拉力設計值分別為：142 kN、311 kN、457 kN、413 kN；錨索抗拉強度設計值均為707 kPa，均滿足要求。驗算結果表明，錨索的極限抗拔承載力和受拉承載力滿足設計要求。

3 結語

基于彈性支點法對深基坑支護結構進行計算、分析，原理簡單明了，思路清晰明確，結果可靠度高。采用土釘+地下連續墻+錨索的支護體系處理深基坑，能夠有效控制基坑及周邊地質環境的變形，效果十分理想，表明復合土釘支護結構在深基坑的適用性較好。本文旨在為行業同仁開拓一種分析、解決實際問題的思路，拋磚引玉，大家在日后的工作中，可以進一步優化巖土工程的方式方法。