軟弱土地基中深基坑圍護結構選形案例分析

金 怡 蔣偉林 申文明*

(1.浙江建設職業技術學院，浙江杭州 311231;2.杭州江干區城市建設綜合開發有限公司，浙江杭州 310016;3.中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江杭州 310000)

深基坑圍護結構的設計要因地制宜，選擇安全性、經濟性和施工可行性最優的支撐體系與圍護體系。深基坑圍護結構的選形問題需要綜合考慮土質條件、基坑的幾何形狀等多種因素，很多學者積累了寶貴的經驗，提出了優化分析方法［1-9］。本文通過工程實例分析，研究軟土地基中深基坑圍護結構的選形問題。

1 工程概況

1.1 項目概況

某深基坑項目位于浙江沿海軟土地基中，該項目為2層地下室，基坑開挖深度10 m。基坑平面布置如圖1所示，基坑總體呈正方形，周長約440 m。四周緊靠市政道路，有大量市政管線需要保護，對基坑施工變形控制有較高要求。

圖1 基坑平面圖

1.2 地質條件

場質屬第四系濱海淤積平原區，地形平坦開闊，地貌類型單一。場地土質屬于典型的海相沉積軟土，由上往下依次為雜填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土、粉質粘土，其中開挖面附近主要以淤泥質粉質粘土為主。土體物理力學參數如表1所示。

表1 地質參數

1.3 圍護設計方案

根據場地土質條件以及基坑的開挖深度，設計人員選用了φ800@1 000的鉆孔灌注樁排樁+兩道鋼筋混凝土內支撐圍護方案。該方案的安全性有較充分的保證，其不足之處在于兩道支撐的造價較高、支撐對土方開挖施工帶來不便。為此建設方要求對圍護設計方案進行優化，希望采用一道鋼筋混凝土內支撐，以降低造價、加快施工進度。

2 排樁擋土結構優化分析

排樁擋土結構的受力變形分析采用彈性地基法，土體計算參數如表1所示。優化前的圍護方案為:φ800@1 000的鉆孔灌注樁排樁，樁嵌固深度14 m，樁身抗拉主筋14Φ25;第一道鋼筋混凝土支撐的中心距地面2.5 m;第二道鋼筋混凝土支撐的中心距地面7.1 m。圍護結構的受力和變形計算結果如圖2所示:最大水平位移41.77 mm，最大變形深度位于開挖面處;最大樁身計算彎矩653.76 kN·m。

圖2 兩道支撐方案排樁受力變形計算結果

若改為一道支撐，樁所承受的彎矩會大幅增加。在不改變樁徑的條件下，最大水平位移達60 mm，最大樁身計算彎矩1 075 kN·m，須配24Φ25，配筋率達到2.4%。因此需要增大樁徑，提高樁身抗彎承載力和抗彎剛度，減小配筋率以及基坑變形。優化后的圍護方案:φ1 000@1 200的鉆孔灌注樁排樁，樁嵌固深度17 m，樁身抗拉主筋26Φ25;鋼筋混凝土支撐的中心距地面3.3 m。圍護結構的受力和變形計算結果如圖3所示:最大水平位移46.25 mm，最大變形深度位于開挖面處;最大樁身計算彎矩1 514.98 kN·m。

3 支撐體系優化分析

設計支撐布置形式為4個大角撐，角撐自身的剛度和穩定性非常好，不足的是角撐之間相互獨立，支撐整體受力可能會偏移。設計支撐布置形式如圖4所示，四個獨立的角支撐體系，每個體系有6跨支撐，跨間水平距離8.6 m，支撐體系的受力分析結果如圖6，圖8，圖10所示。根據基坑的平面幾何形狀，基本呈正方形，非常有利于環形支撐的布置。環形支撐布置如圖5所示，支撐體系的受力分析結果如圖7，圖9，圖11所示。支撐受力變形分析軟件為大型商業有限元軟件ANSYS，支撐受力變形分析模型為空間梁單元框架結構模型，混凝土材料本構模型為線彈性模型，混凝土強度等級C30;彈性模量30 MPa。框架結構四周施加側向線荷載，壓頂梁與圍檁施加豎向約束和側向約束，立柱位置(支撐梁交點)施加豎向約束。

圖3 一道支撐方案排樁受力變形計算結果

圖4 角支撐布置方案

圖5 環形支撐布置方案

圖6 角支撐變形（單位：mm）

圖7 環形支撐變形（單位：mm）

圖8 角支撐軸力（單位：N）

圖9 環形支撐軸力（單位：N）

比較兩種形式支撐的受力變形分析結果可以看出:環形支撐體系的整體穩定性較角撐體系有明顯改善，受力均勻，不會發生扭轉的情況，也沒有受力集中位置，充分發揮環形支撐整體性好的優勢，同時圍檁彎矩也顯著減小、分布均勻。此外環形支撐跨數更少，因此支撐、立柱與立柱樁的數量減少，經濟性更優。環形支撐體系的另一優點，支撐間距大、跨數少，極大地減少了支撐對土方開挖的影響。

圖10 角支撐圍檁彎矩（單位：N·m）

圖11 環形支撐圍檁彎矩（單位：N·m）

4 結語

通過典型軟弱土地基中深基坑圍護結構選形案例分析，得到以下結論:1)深基坑圍護結構的設計要兼顧安全性、經濟性和施工可行性，通過對比分析獲得最優方案。2)減少支撐道數，排樁支護結構承受的彎矩會大幅增加，須通過增大樁徑，提高樁身抗彎承載力和抗彎剛度的方法，來減小樁身配筋率以及基坑變形。3)根據基坑幾何形狀，合理布置支撐體系，有利于增強支撐體系的整體穩定性，避免發生扭轉、受力集中等情況。4)環形支撐體系的整體性要優于角撐體系，環形支撐體系的受力均勻、穩定性好，同時環形支撐跨數少、經濟性更優，也極大地減少了支撐對土方開挖的影響。

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