基坑開挖支護體系優(yōu)化

曹俊杰 董 波 陳培帥

(1.太倉市建筑安全監(jiān)督站，江蘇 太倉 215400;2.中交二航局技術中心，湖北 武漢 430040)

1 概述

依托工程為太倉市萬達廣場深基坑工程，勘察資料表明開挖范圍內(nèi)的土層種類繁多，主要包括填土、粉質(zhì)粘土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉土夾粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土。其中場地淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土范圍最大，具高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度的工程性質(zhì)，為不良工程地質(zhì)層，對基坑開挖及坑壁穩(wěn)定性有不利影響，易導致基坑變形、邊坡失穩(wěn)、地面沉降甚至塌陷等現(xiàn)象。在保證基坑安全的前提下，如何對支護或者開挖方案進行優(yōu)化是本文的研究重點［1，2］。

2 有限元模型

太倉萬達廣場基坑最大開挖深度約10.75 m，取基坑一側(cè)沉降影響邊界長度為2.5倍的基坑開挖深度，模型高度取圍護結構底部以下7 m。如圖1所示，建立開挖深度最大標段的基坑有限元數(shù)值仿真模型，分析深大基坑的受力及變形機理。

基坑圍護結構采用雙排鉆孔灌注樁形式(φ850@1 200)，前后排樁間距為5.15 m，中間部位采用水泥土加固，作為止水帷幕，灌注樁和總長度約為22.8 m，每間隔3.6 m在灌注樁頂部設置連梁(800×800@3 600)。采用三道水平旋噴土錨(φ500@1 200)內(nèi)支撐體系，分別設置在放坡底標高以下2 m，4.5 m和7 m處。

3 基坑支護體系優(yōu)化設計

3.1 位移和受力極值分析

太倉市萬達廣場基坑工程按照一級基坑標準進行設計，根據(jù)建筑基坑變形控制標準可知［3-5］，基坑側(cè)壁允許的最大水平位移為10.75 m ×0.18%=19.35 mm，地表沉降控制標準為10.75 m ×0.15%=16.13 mm。參照依托工程設計文件，鉆孔灌注樁的彎矩承載能力設計值為909.48 kN·m(基坑內(nèi)側(cè))和386.28 kN·m(基坑外側(cè))，三道土錨的拉力承載能力設計值分別為148.88 kN，293.50 kN和247.65 kN，本文對支護結構優(yōu)化時，將灌注樁的彎矩承載能力設計值和土錨的拉力承載力設計值分別定義為極限承載力優(yōu)化指標。

3.2 原方案下基坑變形及受力

基坑開挖后，圍護結構在內(nèi)外土壓力差的作用下產(chǎn)生變形，從而使得基坑土體發(fā)生變形，位移計算結果表明:基坑最大水平位移發(fā)生在基坑全部開挖完成后，變形值為10.3 mm，小于一級基坑變形控制標準19.35 mm;地表最大沉降發(fā)生在基坑全部開挖完成后，變形值為3 mm左右，遠遠小于一級基坑變形控制標準16.13 mm。

圖2為排樁彎矩云圖，可以看出，基坑排樁內(nèi)側(cè)最大彎矩值為538 kN·m，外側(cè)為163 kN·m，鉆孔灌注樁內(nèi)側(cè)的極限彎矩承載能力為909.48 kN·m，外側(cè)為386.28 kN·m，因而排樁受力符合要求。

圖1 計算模型

圖2 彎矩云圖

圖3為三道土錨的軸力云圖，可以看出，第一道土錨最大軸力為79 kN，第二道土錨最大軸力為141 kN，第三道土錨最大軸力為106 kN，三道土錨的抗拉承載能力設計值分別為148.88 kN，293.50 kN和247.65 kN，因而土錨受力符合要求。

3.3 原方案下基坑變形及受力

3.3.1 方案優(yōu)化

由上節(jié)計算結果可知，基坑支護效果比較理想，基坑變形和支護結構受力均比較保守，可以進行支護結構優(yōu)化，參照以往的工程經(jīng)驗［6，7］，擬對后排樁間距進行優(yōu)化，將初步設計方案中的排樁1.2 m間距變更為3.6 m，其他結構參數(shù)均不做更改，優(yōu)化后的計算模型如圖4所示。

圖3 第四層土體開挖

圖4 優(yōu)化后計算模型

3.3.2 優(yōu)化結果分析

計算結果表明:支護方案變更后基坑的變形規(guī)律與變更前相同，基坑最大水平位移為17.19 mm，較變更前增大了6.89 mm，但仍小于一級基坑變形控制標準;變更后地表沉降較變更前增大了1.97 mm，地表最大沉降為4.97 mm，遠小于一級基坑變形控制標準16.13 mm;基坑排樁內(nèi)側(cè)最大彎矩值為648 kN·m，外側(cè)為235 kN·m，小于鉆孔灌注樁內(nèi)側(cè)的極限彎矩承載能力，符合規(guī)范要求;支護結構優(yōu)化后第一道土錨最大軸力為86.7 kN，第二道土錨最大軸力為144.1 kN，第三道土錨最大軸力為120.7 kN，符合規(guī)范要求。

4 結語

本文依托太倉萬達廣場深基坑工程，采用有限元數(shù)值分析手段，通過對基坑變形和支護結構受力進行計算分析，對支護結構進行優(yōu)化，將后排樁間距由原1.2 m間距調(diào)整為3.6 m，計算結果表明:圍護結構水平位移、地表沉降、排樁彎矩和土錨拉力都有一定程度的增大，但均在設計控制范圍之內(nèi)，說明支護設計優(yōu)化方案是可行的。

［1］朱敬軍，蘇繼榮，顏特亮.淺談沿海地區(qū)某深基坑支護設計與監(jiān)測［J］.山西建筑，2010，36(21):81-82.

［2］陶春艷.武漢地鐵循禮門車站基坑施工穩(wěn)定性分析［J］.科技資訊，2011(11):28-30.

［3］劉建國，方 磊，婁承濱.深基坑支護結構變形與受力分析［J］.公路交通科技(應用技術版)，2011(5):79-80.

［4］曾 榕.基于FLAC3D的基坑支護開挖過程數(shù)值模擬［J］.山西建筑，2008，34(34):116-117.

［5］黃建華，徐 偉.深基坑凍結排樁支護變形性狀分析［J］.福建工程學院學報，2005(3):16-17.

［6］周瑞忠，覃海嬰.樁土共同作用原理與變形土體側(cè)壓力研究［J］.福州大學學報(自然科學版)，1999(6):112.

［7］孫 鈞，袁金榮.深大基坑施工變形的智能預測與控制［J］.地下工程與隧道，2000(4):206-207.