某深基坑懸臂式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力研究

肖詢亮

（吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000）

0 引言

目前，城市建筑工程一方面向著提升建筑高度的方向發(fā)展，另一方面向著地下進(jìn)一步發(fā)展。隨著基坑工程的深度增加，深基坑的深度隨之增加，使開挖基坑的工程量、面積、規(guī)模、分布等急劇增加。加上周邊設(shè)施的環(huán)境、土層特性、地下水條件等加大了深基坑現(xiàn)場施工的難度，在理論和技術(shù)方面給深基坑工程的設(shè)計(jì)與施工帶來更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此類項(xiàng)目由于設(shè)備工藝的要求和必須滿足在永久工況條件下施工的特殊性，常規(guī)的支護(hù)結(jié)構(gòu)很難維持其深基坑的穩(wěn)定性，且在永久工況條件下，支護(hù)結(jié)構(gòu)很難設(shè)置上部支撐或樓板，設(shè)計(jì)一種擋土結(jié)構(gòu)來滿足永久工況條件的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)成為這類特殊項(xiàng)目亟待解決的問題。擋土結(jié)構(gòu)很少應(yīng)用于在市政基坑工程中，尤其是一些特別難處理的深基坑工程。對這類基坑工程來說，深入研究擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)有深遠(yuǎn)的意義。

該文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目案例對懸臂式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行研究，應(yīng)用Midas GTS軟件對懸臂式擋墻出現(xiàn)的單排樁和雙排樁模式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。判斷懸臂式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法的可行性。

1 工程項(xiàng)目背景

該工程為吉安市某污水處理廠污泥處理工程，基坑開挖最大深度為13.6m。擬建場地現(xiàn)狀主要為草坪，地勢較為平坦。擬建場區(qū)地貌類型屬于區(qū)潮坪地貌類型。經(jīng)過勘探揭示，在勘探深度范圍內(nèi)，地基土分布較穩(wěn)定，土層自上而下可分為6大層，若干亞層。其中①層填土主要由沖填土（粉性土夾黏性土）組成，局部地段上部為雜填土；②3層～⑤32層為全新世Q4沉積層；⑧1層～⑧2層為上更新世Q3沉積層。實(shí)測勘探孔內(nèi)潛水水位埋深為0.80m～3.30m（標(biāo)高2.61m～3.86m），主要補(bǔ)給來源為大氣降水、地表徑流。微承壓水賦存在⑤32層粉質(zhì)黏土夾粉砂中，根據(jù)勘察報(bào)告顯示，含水層層面埋深約55.00m～58.90 m。地面下普遍分布厚層軟黏性土，其具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度高等不良工程地質(zhì)特性，受擾動易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，進(jìn)而誘發(fā)地表變形；而且軟土還有低滲透性、觸變性和流變性等特點(diǎn)，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)會產(chǎn)生流變，對工程開挖施工影響較大。

對不同剖面的懸臂式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力和位移的有限元計(jì)算。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算采用豎向彈性地基梁法，地基土的黏聚力和內(nèi)摩擦角的取值采用勘察報(bào)告提供的固結(jié)快剪峰值指標(biāo)，地面超載按實(shí)際情況考慮。

如圖1（a）所示，剖面a-a'地下水位埋深為1.5m，承壓水頂板埋深34.85m，承壓水頭埋深3m，距離地面0.4m、5.0m和8.6m處設(shè)計(jì)三道支撐，支撐剛度分別為615.4 （N/m）/m，393.6 （N/m）/m和393.6 （N/m）/m。剖面b-b'地下水位埋深為1.5m，承壓水頂板埋深39.97m，承壓水頭埋深3m，距離地面0.4m和5.0m處設(shè)計(jì)兩道支撐，支撐剛度分別為640.0（N/m）/m和472.3（N/m）/m，如圖1（b）所示。剖面c-c'前排樁間距1.2m，后排樁間距2.4m，前后樁排距3.2m，地下水位1.5m，工作荷載為20kPa，如圖1（c）所示。剖面f-f'前排樁間距1.2m，后排樁間距3.6m，前后樁排距3.5m，地下水位1.5m，工作荷載為20kPa，如圖1（d）所示。剖面a-a'地下連續(xù)墻主要穿過的土層分別為1-1、1-3、2-3、3；剖面b-b'地下連續(xù)墻主要穿過的土層分別為1-1、1-3、2-3、3、4、5-1；剖面c-c'雙排樁主要穿過的土層分別為1-1、1-3、2-3、3、4、5-1、5-31；剖面f-f'穿過的土層為1-3、2-3、3、4、5-1。不同土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。C30混凝土的計(jì)算參數(shù)如下：容重=25kN/m，凝聚力=3.162×10kPa，摩擦角=54.9°，變形模量=3.0×10kPa，泊松比=0.167。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 不同計(jì)算剖面基坑支護(hù)示意圖 （長度單位：m；力單位：kPa）

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 位移

利用Midas GTS有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，如圖2所示，得到了樁身位移分布。不同位置剖面的位置變化情況略有不同。a-a'剖面的位移隨樁身位置增大，先增加后減少，最大位移為20.9mm。b-b'剖面的位移隨樁身位置增大，先增加后減少，最大位移為12.5mm。由于c-c'和f-f'剖面是雙排樁，其位移的變化略有不同。對c-c'剖面，雙排樁的最大位移出現(xiàn)在樁頂，隨著樁頂位置增加而減少，由于前后排樁的樁頂通過冠梁連接，因此兩者的樁頂位移相同，為32.7mm。最小水平位移均出現(xiàn)在樁底，分別為0.2m和6.2m。剖面f-f'的位移計(jì)算結(jié)果顯示雙排樁的最大位移出現(xiàn)在樁底，分別為6.2mm和11.5mm。隨著樁頂位置增加，位移逐漸增大。最小位移都出現(xiàn)在樁頂，為0.8mm。

2.2 彎矩

樁身彎矩分布如圖3所示。相比于位移的變化特征，彎矩的變化特征更復(fù)雜。具體來說，a-a'剖面的彎矩總體為先增大后減少，并在樁的頭部和尾部出現(xiàn)了負(fù)彎矩，最大正彎矩為938.2kNm。b-b'剖面的彎矩隨樁身位置增大，先增加后減少，在樁的頭部和尾部出現(xiàn)了負(fù)彎矩，最大正彎矩為573.2kN·m，出現(xiàn)在第二道支撐處。由于c-c'和f-f'剖面是雙排樁，其位移的變化略有不同。對c-c'剖面，前排樁的最大正彎矩出現(xiàn)在地表以下4.1m左右樁身處，為644.2kNm；最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在地面以下10.2m樁身處，為-254.7kNm。后排樁最大正彎矩出現(xiàn)在樁頂，為683.9kNm；最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在地面以下12.5m處，為-19.4kNm。對f-f'剖面，前后排樁的最大正彎矩分別為324.4kNm和136.7kNm；最大負(fù)彎矩均出現(xiàn)在樁頂，分別為-444kNm和-554.9kNm。

圖3 不同剖面彎矩計(jì)算結(jié)果

2.3 剪力

樁身剪力分布如圖4所示。在不同位置下的剪力變化特征略有不同。a-a'剖面的剪力隨著樁身位置的增加而呈現(xiàn)正負(fù)交替變化，其中最大剪力為-542.9kN，出現(xiàn)在第二道支撐處。b-b'剖面的剪力隨著樁身位置的增加呈現(xiàn)正負(fù)交替變化，最大剪力為-353.7kN，出現(xiàn)在第二道支撐處。由于c-c'和f-f'剖面是雙排樁，剪力的變化和單排樁略有不同。對c-c'剖面，前排樁最大剪力為242.9kN，后排樁的最大剪力為93.1kN，分別出現(xiàn)在-7.5m和-12.5m處。對f-f'剖面，前排樁最大剪力為182.9kN，后排樁的最大剪力為140.0kN，均出現(xiàn)在樁頂處。

如圖2～圖4所示，根據(jù)Midas GTS 計(jì)算出來的不同位置剖面的位移、彎矩、剪力顯示，單排樁和雙排樁的力學(xué)響應(yīng)特征不同。和單排樁相比，雙排樁的內(nèi)力更復(fù)雜。單排樁的最大位移、最大彎矩、最大剪力均出現(xiàn)在樁身中部。由于前排樁和后排樁之間會相互影響，導(dǎo)致樁的內(nèi)力分布發(fā)生變化，相比于單排樁，其最大剪力和最大彎矩得到了一定程度的優(yōu)化，且其最大位移、最大彎矩、最大剪力主要分布在樁頂位置。總體來說，由于前后排樁的相互影響，其內(nèi)力分布發(fā)生了一定程度的改變。

圖2 不同剖面位移計(jì)算結(jié)果

圖4 不同剖面剪力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

該文主要以吉安市某污水處理廠污泥處理工程基坑開挖為工程背景，通過有限元計(jì)算軟件Midas GTS對該基坑工程單排樁和雙排樁的支護(hù)方式進(jìn)行了二維建模，合理選擇了該模型的邊界條件、本構(gòu)關(guān)系、參數(shù)定義，計(jì)算了不同斷面（4個(gè)斷面）懸臂式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身內(nèi)力分布，分析了水平位移、彎矩和剪力的最大值以及這些極值出現(xiàn)的位置。總體來講，前后排樁的相互影響使雙排樁的內(nèi)力分布特征發(fā)生了改變。最大位移、最大彎矩、最大剪力得到了優(yōu)化，發(fā)生的位置主要為樁頂。該研究為懸臂式擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。