城市富水區段大型地下結構工程數值及應用研究

潘升樹，譚智杰

（1.重慶市江北區城市建設發展集團有限公司，重慶 400000；2.中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

近年來，地下空間的綜合利用引起了社會廣泛關注，為適應地下空間綜合化發展的趨勢，大量學者圍繞著地下空間結構的支護方式的安全性和經濟性展開研究。其中，蔣宏鳴等[1]針對深基坑雙排樁支護的設計與變形了進行研究，得出支護結構變形與坑外地表、鄰建筑物沉降的內在關系，證明支護方案的可行性與安全性。鄭剛等[2]研究了內撐式排樁支護基坑支護樁發生局部破壞時，土壓力對支護結構內力的影響規律，揭示了基坑局部破壞在支護樁長度上的傳遞機制。江峰等[3]將排樁結構應用于明挖基坑的支護，縮短了工期的同時確保了地鐵車站基坑的穩定性。從現有文獻來看，排樁支護作為一種較常見的基坑支護形式，為了深入研究排樁支護作為主要受力結構在地下結構工程的應用，本文基于觀音橋北大道道路建設項目，利用Midas 數值模擬軟件建立了支護排樁框架模型，對框架架構進行有限元分析，驗算穩定性并得出結論，為今后基坑排樁支護的研究提供思路的同時也為城市地下工程的修建積累經驗。

1 工程概況

擬建場地位于重慶市觀音橋商圈北大道，根據現場實際地形、地質情況等情況，同時考慮城市地下空間利用，該處擬建框架結構。框架結構寬21.2m，長144.2m，框架立面布置如圖1 所示，框架分為3 層，地面為現有城市道路，負一層擬建車庫及地下縮合管廊，負二層為設備用房，負三層隧道。

圖1 框架立面布置

2 框架有限元模型

2.1 框架模擬概況

本框架采用大型有限元分析軟件Midas Civil 2017（授權版）建立模型，綜合比選，選取圖1 所示的框架斷面形式建模，考慮到框架各部分的物理特性，主橫梁、次橫梁、主縱梁和次縱梁以及樁基均采用空間梁單元模擬，樓板采用板單元模擬。

為較準確模擬結構受力并考慮到計算效率，在建立有限元模型時，沿長度方向選取框架的3 個節間進行建模，且每個單元劃分不超過1.2m。考慮實際受力情況，樓板單元與各梁單元采用共節點的方式連接。根據地勘報告，計算出土對樁基不同方向的剛度，模型中將土對樁基的作用采用節點彈性支承模擬[4]。整個模型共劃分2115 個節點，2748 個單元，其中梁單元共劃分1596 個，板單元共劃分1152 個。有限元效果如圖2 所示。

圖2 有限元效果

2.2 荷載組合

根據《公路橋涵設計通用規范》，作用分類為永久作用、可變作用、偶然作用和地震作用。為了結構驗算，將各種荷載進行組合，如表1 所示。

表1 結構驗算的荷載組合

2.3 結構靜力計算

本文利用Midas 軟件針對基本組合類型（cLCB2）進行計算，本次結構內力計算結果如表2 所示。

表2 內力計算結果匯總

3 結構驗算

根據Midas Civil 計算出的內力結果，選取最不利的荷載組合。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD 62—2004）要求分別對框架各結構進行了承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的驗算[5]，本文以頂板和主橫梁的驗算為例。

3.1 頂板驗算

3.1.1 正截面抗彎承載力驗算

依據荷載組合中的基本組合，按式（1）～（式3）對頂板的正截面抗彎承載能力進行驗算，其正截面彎矩計算值Mu為117.296kN·m，數值模擬計算的彎矩Md為61.5kN·m，判別偏心受壓構件正截面承載力是否滿足要求如式（4）所示。

通過對比計算結果，可以看出頂底板所有單元的正截面抗彎承載能力均符合要求。

3.1.2 斜截面抗剪承載力驗算

斜截面抗剪承載力驗算如式（5）～式（9）所示。

依據荷載組合中的基本組合，按式（5）～式（9）對頂板的斜截面抗剪承載能力進行驗算，其斜截面抗剪承載能力為677.36kN，數值模擬計算的結果為194.3kN，不難看出，頂板的斜截面抗剪承載能力均符合要求。如式（10）所示。

3.1.3 裂縫寬度驗算

裂縫寬度驗算如式（11）～式（12）所示。

依據荷載組合中的基本組合，按式（11）～式（12）對頂板的裂縫寬度進行驗算，其最大裂縫寬度Wtk為0.07mm，判別是否滿足裂縫寬度是否滿足要求如式（13）所示。

通過對比計算結果，可以看出頂底板所有單元的裂縫寬度均符合要求。

3.2 主橫梁（頂板）驗算

3.2.1 正截面偏心受壓承載能力驗算

按式（1）～式（3）對主橫梁（頂板）的正截面抗彎承載能力進行驗算，其正截面彎矩計算值為Mu為2796，數值模擬計算的彎矩Md為2036，通過對比計算結果，可以得出主橫梁所有單元的正截面抗彎承載能力滿足要求。

3.2.2 斜截面抗剪承載能力驗算

如上述步驟，按式（5）～式（9）對主橫梁（頂板）的斜截面抗剪承載能力進行驗算，其斜截面抗剪承載能力為2426kN，數值模擬計算的結果為1041kN，不難看出，主橫梁（頂板）的斜截面抗剪承載能力均符合要求。

3.2.3 裂縫寬度驗算

依據荷載組合中的基本組合，按式（11）～式（12）對主橫梁的裂縫寬度進行驗算，其最大裂縫寬度Wtk為0.189mm，通過對比計算結果，可以看出主橫梁所有單元的裂縫寬度符合要求。

4 結語

隨著城市地下空間建設發展，大型城市地下結構綜合體的興建越來越多，本文利用了Midas 對基坑排樁支護結構進行了有限元分析，并選取最不利的荷載組合對其驗算。結果表明，該框架各結構的正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載能力、裂縫寬度以及框架樁基的單樁軸向抗壓承載力、正截面抗壓承載力和裂縫寬度等均符合規范要求。在邊坡施工完成后，經過了一個雨季的考驗，沒有發現邊坡明顯變形，坡腳區域無變形現象，說明邊坡在加固后比較穩定。設計方案可以保證該高邊坡的穩定，進一步證實該設計方案是切實有效的，為今后基坑排樁支護的研究提供思路的同時也為城市地下工程的修建積累經驗。