某軟弱地基深基坑支護計算分析

劉全興，張翠瑩

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430071）

引言

近年來，我國基坑開挖及支護結構研究越來越多，許多學者分別從數值分析、理論推導等角度對基坑空間支護進行了模擬，并與實際工程的檢測數據進行了對比分析[1]。基坑支護結構作為一種臨時性結構，在保證基坑及鄰近工程環境安全的前提下必須考慮其經濟性[2]。因此如何在確保結構安全穩定和變形得到有效控制的前提下，綜合考慮基坑開挖深度、土體特性以及鄰近工程保護等級、施工條件等各因素，針對工程特點采用經濟合理的支護形式，對基坑的設計和施工都有著非常重要的意義。本文結合實際工程對基坑支護進行計算，從而確定支撐體系的最終實施方案。通過現場實際施工情況論證數值模擬計算及支護結構選擇的合理性。

1 工程概況

某取水口工程基坑南北向最大長度約為 62 m，東西向最大長度約為50 m，開挖總深度為14 m，取水口深基坑結構邊線與后方廠區道路邊線的凈距為24 m，與海側護岸邊線凈距為14 m。

取水口基坑圍護結構采用厚度為1.2 m 的鋼筋混凝土地下連續墻結構。基坑采用鋼結構支撐體系，支撐體系由鋼管、冠梁、鋼圍檁及立柱組成，基坑支護平面布置見圖1。

圖1 基坑支護平面圖

施工采用陸上分層開挖、分層支護配合基坑內外側臨時降水的方案。基坑開挖步驟如下：

第1 步：整平場地標高至4.5 m，施工地下連續墻；

第2 步：基坑開挖至3.0 m，分段施工冠梁-第一道鋼支撐；

第3 步：分塊、分層開挖至-1.0 m，分段施工冠梁-第二道鋼圍檁、支撐；

第4 步：分塊、分層開挖至-5.0 m，分段施工冠梁-第三道鋼圍檁、支撐；

第5 步：分塊、分層開挖至-8.0 m。見圖2。

圖2 基坑開挖步序圖

根據勘察報告，工區地層為第四紀海相沉積層與陸相沉積層，以海相沉積為主，沉積韻律較明顯，新近沉積土層較為松散軟弱，土層的強度從上至下逐漸增大。根據工程區域鉆探資料，工區地層主要由淤泥、淤泥質粉質粘土、粉土及粉質粘土、密實粉細砂等組成。

2 基坑支護計算

目前深基坑支護結構設計中種常用的基本計算方法主要有極限平衡法、地基反力法和有限元分析法。

極限平衡法的基本計算原理是將超靜定問題簡化為靜定問題求解，既先假定被動土壓力和主動土壓力在是圍護墻前后分別所受的土壓力，再作其它一些力學上的簡化假設。極限平衡法常用于土層較均勻、周圍環境較穩定的支護結構。

彈性地基反力法計算時可以考慮墻體彎矩、支撐軸力、土壓力等隨開挖過程的變化，同時土剛度和結構剛度的作用能夠得到合理的分析解釋。基坑內開挖面以上的內支撐點，通過彈性支座模擬。

有限元法的基本原理是將基坑視為一個空間結構體系，不僅包括支護結構本身，地基土也在內。同時考慮開挖過程中各因素的綜合影響，包括滲流、施工條件、支護結構與土的相互作用等因素的影響，綜合分析開挖引起的環境效應、支護結構的變形及內力等。有限單元法與常規計算方法相比其主要優點是在模擬計算分析時可以考慮基坑的整體型狀。

針對理論方法及有限元法的特點，本文分別采用理論方法及有限元方法對深基坑支護進行計算分析。

2.1 理論計算及結果

由于極限平衡法常用于土層較均勻、周圍環境較穩定的支護結構，不適應大型復雜、空間效應明顯的基坑，理論計算采用彈性地基反力法。

基坑內開挖面以下作用在地連墻面的彈性抗力根據地基土的性質和施工條件等因素計算，并通過水平彈簧支座來模擬。基坑開挖面以下，水平向彈簧支座的壓縮彈簧剛度KH和垂直向彈簧支座的壓縮彈簧剛度KV，應考慮基坑土體加固、基坑降水以及工程樁布置的影響，按下列公式計算：

式中：

KH——土體水平向壓縮彈簧剛度（kN/m）；

KV——土體垂直向壓縮彈簧剛度（kN/m）；

圖3 板式支護體系圍護墻計算圖

理論計算時支撐尺寸采用630 mm 鋼管（壁厚6 mm），地連墻正負彎矩分別為+1 797 kNm、-2 008.9 kNm。

2.2 有限元計算及結果

1）結構模型

Midas-GTS 是專業巖土有限元計算軟件，基本涵蓋了巖土方面所有的分析計算功能，經過國內外很多大型工程的運用和驗算，結果準確可靠。本工程采用修正摩爾庫倫本構模型進行模擬[3]。模型網格劃分見圖4.

圖4 模型網格劃分圖

2）支撐體系選擇

由于本基坑支護結構作為一種臨時性結構，在保證基坑及鄰近工程安全的前提下必須考慮其經濟性。因此通過Midas-GTS 分別對550 mm 鋼管（壁厚6 mm）、630 mm 鋼管（壁厚6 mm）、750 mm 鋼管（壁厚8 mm）以及750 mm 鋼管（壁厚10 mm）支撐進行計算。通過統計地連墻位移及彎矩、鋼支撐軸力及基坑底面隆起量確定最終選擇方案。

3）不同剛度支撐分析

計算結果見表1。

表1 計算結果對比表

通過計算結果可知，隨著支撐剛度的增大，地連墻最大水平位移明顯減小；地連墻最大正彎矩增大，最大負彎矩減小。同樣，隨著支撐剛度的增大，支撐軸力加大，基坑底面隆起減小。此結論與前人[4]計算結果基本吻合，通過計算結果統計表可以看出，隨著支撐剛度的增加，地連墻水平位移、最大負彎矩以及基坑底面隆起的減小幅度越來于越小，因此實際工程中可以據此來選擇合理經濟的支撐方案。

3 理論計算與有限元計算對比分析

采用彈性地基反力法對本項目基坑支護結構進行計算，地連墻彎矩計算結果對比見表2。

表2 地連墻彎矩對比表

由理論計算與有限元模擬計算結果可以看出，理論計算時地連墻彎矩較有限元模擬計算時小，計算結果差異主要是因為理論計算為二維平面計算，未考慮基坑的空間效應。本工程基坑結構復雜，因此采用有限元三維計算結果更加真實可靠。

4 開挖過程支撐內力分析

經過綜合考慮，本工程最終選用630 mm 鋼管（壁厚6 mm）作為支撐，采用有限元法對方案不同開挖過程中的各層支撐內力計算結果見表3。通過結果可以很明顯的看出，隨著土層不斷開挖，各層支撐軸力逐漸變大；當開挖完成后，最大支撐軸力出現在第二層，第一層支撐軸力略大于第三層均小于第二層。由此可以看出，在基坑開挖完成并依次澆筑混凝土底板及側壁時應按支撐內力計算結果分層拆除支撐，并在支撐內力較大處設置臨時換撐，以滿足基坑安全穩定需要。本工程臨時鋼換撐結構見圖5。

表3 開挖過程各層支撐內力表

圖5 換撐布置圖

5 結語

1）本文通過對不同剛度的支撐體系進行計算分析，得出了剛度變化對地連墻及支撐內力的影響，并對最終支撐方案的選擇提供了指導。

2）對于結構復雜、空間效應明顯的基坑，應采用三維模型計算，其計算結果更加真實可靠。

3）通過計算可以看出，隨著支撐剛度的增大，地連墻最大水平位移明顯減小；地連墻最大正彎矩增大，最大負彎矩減小。同樣，隨著支撐剛度的增大，支撐軸力加大，基坑底面隆起減小。

4）由計算結果可以看出，隨著支撐剛度的增加，地連墻水平位移、最大負彎矩以及基坑底面隆起的減小幅度越來于越小，即隨著支撐剛度的不斷增加，對地連墻受力的改善幅度越來越小，因此實際工程中可以據此來選擇合理經濟的支撐方案。

5）本文通過對基坑支護進行三維數值計算，得出支撐剛度與地連墻及支撐內力之間變化的關系，在本工程中產生了較好的經濟效益，并對類似工程提供了借鑒。