分析深基坑支護結構的實用計算方法及其應用

曾宣源（核工業柳州工程勘察院，廣西柳州545005）

分析深基坑支護結構的實用計算方法及其應用

曾宣源（核工業柳州工程勘察院，廣西柳州545005）

建筑業的快速發展，使得坑基開挖深度不斷增加，再加上工程事故的普遍發生，工程界才開始關注深基坑工程問題，目前，國內已經出現了相對規模的基坑工程熱潮。對此，本文分析了一套實用的計算方法，可使得基坑設計中的一些關鍵性與主要的技術問題得以有效的解決，從而確?；又ёo設計的安全性、經濟性與合理性。

深基坑工程；支護結構；計算方法；應用

前言

通常情況下，大規模的基坑開挖與支護的綜合性較強，且往往涉及工程地質、結構力學與土力學等學科，同時，在其具體施工中，還會受到例如天氣、施工季節與工程場地環境等因素的影響。在相同的施工工程中，設計工作人員有可能會采用不同的基坑支護方法，即便選用了同一種支護方法，其具體計算過程與結果也可能存在一定的差異，所以，深基坑支護結構的實用計算方法與應用是基坑支護工程的重點。本文以工程實例為案例，編制計算程序，并分析了基坑工程實例中各工況支護結構的受力與變形。由計算結果可知，按照提出的分析方法計算的圍護墻體位移比按照現行規程設計方法計算的更加接近實測結果，且計算參數的確定更加便利。

1 深基坑支護結構計算理論概述

本文研究的深基坑支護主要指用于支護垂直巖土坡的樁、墻與支撐，或是錨桿等組成的支護結構，如圖1。

圖1 支護結構

大多數情況下，對于深基坑的支護結構，可將其簡化為一個受側向土壓力作用的受力結構。就當前情況來看，此種結構的基本計算方可通過以下方式進行。

1.1 經典方法

經典方法的主要考慮對象為力的平衡，一般選取單位寬度受側向荷載作用的梁系，例如經典的1/2分割法、剛性支承連續梁法等，見圖2～4。土壓力不僅包含Terzaghi-Peck的經驗表觀土壓力，還涉及經典的理論土壓力方法，例如朗肯土壓力法等。此類方法的優勢在于可手算，計算十分簡單，但也存在無法計算支護結構位移的缺陷。同時，相比于實際情況，通過計算得到的支點力存在較大的差距，支點一般是邊開挖邊支撐的，所以，支點力與施工過程之間存在一定的關聯，如果采用經典方法計算，往往無法對施工過程的影響進行較好的考慮。

圖2 1/2分割法

圖3 剛性支點連續梁法

圖4 等值梁法

1.2 彈性地基梁法

彈性地基梁法是一種將支護結構作為一個豎放的彈性地基梁，一般會受到側向土壓力的作用。土壓力通常采用經典的土壓力理論，例如朗肯土壓力理論或庫侖土壓力理論。基坑面以上的支撐可作為一個彈性支點，基坑之下的土層可采用一系列的土彈簧作用代替，如圖5。通過此種方法，便可將支護結果作為一種彈性支承的地基梁。較為常用的方法。對于彈性法與彈塑性法，主要是在一定程度上簡化基坑面以上的支撐力，例如下道支撐設置完成之后，上道支撐軸力不變等，以便于簡化。針對入土段，也可假設已經達到極限被動土壓力，便可采用用力的平衡條件進行求解。當然，也可假設入土段的土坑力與變形之間存在一定的關聯，之后需分別建立入土段以上與入土段的彈性地基梁微分方程，再根據兩段的微分方程的解，在考慮兩段墻在基坑底面部位的連續條件的情況下進行求解。此種方法對于如果入土段是多層土，還需要根據每一層土再分段，所以，對多層土較為復雜。對于分層土，由于每一層土的m值均不同，所以，分段微分方程也更加復雜，所以，通常采用桿系有限元數值解法求解。

圖5 彈性地基梁法

2 工程案例

2.1 工程概況

某商業廣場處于鬧市區，主樓部分主要包括地上38層，地上4層則為裙房部分，且主樓與裙房均包括地下3層。主樓基坑開挖深度達14.50m。該項目的基坑主要采用鋼筋混凝土地下連續墻+內支撐支護。地下連續墻厚度達800mm，深度為29.3m，3道支撐均采用現澆鋼筋混凝土結構，支撐的最大間距為10m，最大長度達40m，支撐橫截面尺寸為900mm×800mm。基坑支護方案如圖6。

圖6 基坑平面圖

2.2 支護結構內力的分析

因考慮到該工程的實際開挖過程，按照以下6中工況進行分析，工況劃分如下：①開挖至地面以下1.5m部位，進行地下連續墻施工，并設置第一道支撐，然后挖土至6.5m處（第二道支撐）。②設置第二道支撐，然后挖土至11.5m處（第三道支撐）。③設置第三道支撐，然后挖土至14.5m處（第四道支撐）。④進行底板施工，然后將第三道支撐拆除。⑤進行第二層樓板施工，然后將第二道支撐拆除。⑥進行第一層樓板施工，然后將第一道支撐拆除。此項工程主要采用上述分析法對相應的計算程度進行編制，并且分析6種工況的支護體系，以獲得圍護墻彎矩，如圖7所示。

圖7 圍護墻彎矩計算值

圖8 圍護墻計算及實測位移

3 基坑支護結構類型及其計算方法

由圖8可知，各工況在地表部位的位移計算值與實測值之間的差距不大，主要原因在于該工程采用地下連續墻作為圍護墻，且支撐剛度較大。在開挖面以上部位，將實測位移值與規程方法計算的位移值進行一定的比較，差距略大，采用該文中的方法進行位移值的計算，與實測值之間較為接近。在開挖面以下部位，采用該文中的方法進行位移值的計算，其與實測位移值之間的差距略微小，但與采用規程方法計算的位移值，與實測值之間的差距更加小。由此可知，在開挖面以上，規程方法的主動壓力計算模式偏大；但在開挖面以下部位，規程方法的主動壓力計算模式則偏小。所以，如果按照土-支護結構非線性共同作用確定的土壓力與實際情況更加接近。由以上結算結果可知，采用該文方法計算的各工況圍護墻位移與實測數據之間的差距略小，并且還能夠計算圍護墻隨基坑開挖產生的內力與變形，計算結果也十分可靠。

4 結束語

綜上所述，深基坑支護工程具有綜合性與系統性特征，且往往涉及諸多學科，施工工序也十分復雜，基坑支護結構是一個由若干獨立體組成的整體。深基坑的支護結構設計應綜合考慮項目的整體情況，對于局部與整體之間的關系，也需要進行合理的協調。近年來，隨著科技的迅速發展，以及計算機水平的不斷提高，應有的放矢地對深基坑支護結構法進行計算，選用適宜的支撐方法，以保證基坑支護工程的安全。

[1]齊永生，王 雷.基于彈性支點法的橋梁基坑支護結構有限元分析[J].安徽建筑大學學報，2010，18（3）：59～63.

[2]馬艷霞，張吾渝，蔣寧山.排樁支護結構分析計算方法的比較研究[J].青海大學學報，2013，31（3）：44～48.

[3]周愛紅，袁 穎，侯 征，等.樁-土-結構體系隨機地震響應的實用計算方法及參數分析[J].地震工程學報，2011，33（1）：51～55.

[4]沈銳利，張興標，彭 丹.多塔懸索橋結構變形的實用計算方法[J].中國公路學報，2016，29（6）：207～213.

[5]王薊昌，吳良良，丁明華，等．宜興文化中心大劇院深基坑支護方案選擇及施工技術[J].建筑技術，2013，44（1）：6～8.

為了對上述計算結構進行檢驗，將工況1與工況3的圍護墻實測位移按照 《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-99）中規定的彈性支點法計算的位移與該文的計算位移分別繪制在圖8中。

TU753

A

2095-2066（2016）35-0126-02

2016-12-3