非對稱荷載作用下的鋼圍堰深基坑設(shè)計實踐研究

劉 歡

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300308）

0 引言

隨著城市快速路網(wǎng)的不斷發(fā)展，市政橋梁在跨越大河時，其基礎(chǔ)的深基坑施工受非對稱荷載作用和工程地質(zhì)條件等影響，容易發(fā)生變形過大而導(dǎo)致基坑失穩(wěn)破壞[1]。因此，對非對稱荷載作用下的鋼圍堰深基坑設(shè)計進(jìn)行研究，對指導(dǎo)同類工程的深基坑施工安全具有重要意義。

下述，筆者將結(jié)合江平東路東延涉鐵應(yīng)急工程—太平河大橋鋼圍堰深基坑工程實例，采用理論計算和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對深基坑變形、鋼支撐穩(wěn)定性以及封底混凝土強(qiáng)度等進(jìn)行計算分析，指導(dǎo)現(xiàn)場施工安全。

1 工程概況

江平東路東延涉鐵應(yīng)急工程跨越太平河處，道路設(shè)計線與太平河河流中心線右夾角為57°，沿道路中心線方向太平河主河槽寬度約110 m，跨河主橋采用（72+128+72）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋梁分三幅設(shè)置，自北向南依次為A輔道橋、主線橋、B輔道橋。

太平河大橋主線承臺基坑尺寸為25.2 m×16.2 m，A、B輔道承臺基坑尺寸為20.2 m×16.2 m，開挖深度13.0~14.6 m。基坑平面示意圖見圖1。基坑開挖區(qū)域內(nèi)土層以黏土和粉質(zhì)黏土為主（土體力學(xué)參數(shù)如表1所示）。

表1 土層力學(xué)參數(shù)表

圖1 太平河主橋基坑平面示意圖

2 鋼圍堰深基坑設(shè)計

根據(jù)工程周邊環(huán)境和水文地質(zhì)條件，結(jié)合基坑自身特點，采用“鋼管樁+內(nèi)支撐”支護(hù)體系，820×12 mm-TC鋼管樁+2I45C雙拼工字鋼鋼圍檁+609×16 mm 鋼管內(nèi)支撐，基坑底采用1.5 m厚C30混凝土封底，明挖法施工。基坑支護(hù)統(tǒng)計見表2。主線和A、B輔道基坑支撐平面圖見圖2和圖3。

圖2 主線基坑鋼支撐平面圖

圖3 A、B輔道基坑鋼支撐平面圖

表2 基坑支護(hù)統(tǒng)計表

3 鋼圍堰深基坑三維模型計算分析

3.1 有限元模型

設(shè)計研究以基坑受力最不利的西岸深基坑為例，采用有限元軟件建立數(shù)值模擬模型。模型長度為128 m，沿道路方向?qū)挾葹?04 m，高度為45 m，滿足計算精度要求。模型頂面取為自由邊界，底面采用豎向約束，其他面均采用法向約束[2]。

土體采用實體單元模擬，本構(gòu)模型采用摩爾—庫侖模型。大橋基坑圍堰樁采用剛度等效板單元模擬，鋼支撐及圍檁結(jié)構(gòu)采用線單元模擬，本構(gòu)模型為彈性模型，按照設(shè)計方案中構(gòu)件實際截面尺寸確定[3]。針對基坑結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分較為精細(xì)，以提高計算精度；外部土體以大尺寸布置，以減少網(wǎng)格數(shù)量并節(jié)省計算時間。計算模型圖見圖4。

圖4 西岸基坑計算模型圖

3.2 基坑變形結(jié)果

基坑開挖模擬計算步驟與實際施工工況對應(yīng)。具體施工階段與工況劃分如表3所示。

表3 施工過程模擬的工況劃分

各工況作用下X方向和Y方向位移曲線圖分別見圖5~圖7。

圖5 各工況下基坑開挖X方向位移曲線圖

圖6 拆撐工況下基坑開挖X方向位移值

圖7 各工況下基坑開挖Y方向位移曲線圖

圖8 拆撐工況下基坑開挖Y方向位移值

根據(jù)計算結(jié)果可知，基坑開挖各個工況，X方向最大變形為16.14 mm，Y方向最大變形為13.14 mm，滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）中20 mm（圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤min｛0.2%H，20 mm｝，H為基坑開挖深度）的限制要求。

3.3 鋼支撐穩(wěn)定性驗算

提取有限元模型各模擬工況下基坑支撐軸力最大值[4]，根據(jù)計算，基坑對撐軸力值更控制，統(tǒng)計其結(jié)果見表4。

表4 基坑支護(hù)斜撐軸力統(tǒng)計表 /kN

取基坑豎向全部鋼支撐軸力最大值進(jìn)行檢算[5]，鋼支撐最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值為904 kN，最大軸力設(shè)計值為：904×1.1×1.25=1 243 kN，豎向計算長度為14.78 m。考慮鋼支撐自重、初始偏心距，按偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗算。由公式 σ=N/φ·A+M/[1.15×W（1-0.8×N/Nex）]計算，可得 σ=125 MPa＜[σ]=215 MPa，根據(jù)結(jié)果分析，鋼支撐穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3.4 封底混凝土強(qiáng)度驗算

計算取最不利水頭，基坑平面尺寸較大值進(jìn)行檢算。主線基坑封底混凝土平面尺寸25.2 m×16.2 m，厚度為1.5 m，混凝土標(biāo)號為C30。水位按照+4.69 m控制，其中控制水頭為：△h= 4.96+6.1=10.79 m，△P=107.9 kN/m。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB50010—2010），C30混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.43 MPa。采用有限元模型建立模型如圖9。得到封底混凝土最大拉應(yīng)力為0.45 MPa小于1.43 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖9 封底混凝土有效應(yīng)力/MPa

4 結(jié)語

通過對太平河大橋鋼圍堰深基坑工程設(shè)計實例的研究可以發(fā)現(xiàn)，采用有限元軟件有效模擬河岸基坑非對稱荷載邊界條件，并對基坑變形、鋼支撐穩(wěn)定性以及封底混凝土強(qiáng)度等進(jìn)行計算分析，分析結(jié)果均滿足規(guī)范要求，基坑設(shè)計方案合理，可為同類工程深基坑設(shè)計提供參考和借鑒。