三维数值分析技术在江花综合大楼基坑优化设计中的应用研究

徐德馨，张春梅，施木俊

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 工程概况

江花综合大楼工程北临武汉市江岸区三阳路、东临中山大道、西临京汉大道，该工程总用地面积2.34公顷，由1栋13层、1栋15层、1栋2层办公楼以及3栋18层住宅楼组成。6栋拟建建筑物在平面布局上组成类似于“四合院”型，拟设置2层满铺地下室，基础埋置深度约10.60 m。地下室形状呈长方形，基坑周长约516 m，面积约14400 m2，开挖深度9.4 m～10.6 m。

图1 基坑开挖到坑底后现场照片

拟建场地属长江冲积Ⅰ级阶地地貌形态，工程开挖深度大，周边环境及地质条件较复杂，工程规模大，故该基坑重要性等级为一级。

综合考虑本工程场地地质条件、周边环境的严峻性和复杂性，在充分利用周边环境放坡卸载的基础上，采用桩撑方案。

2 计算参数的选取

根据江花基坑设计图纸尺寸，建立全基坑三维模型，模拟了基坑分步开挖。支护桩为钻孔灌注桩，桩长13.0 m～16.0 m，桩径0.8 m～0.9 m，桩间距1.3 m;锁口梁宽1.2 m，高0.7 m，与支护桩一样，采用c30混凝土浇筑;基坑底板采用c30混凝土，底板与桩排间填充c15素混凝土，与底板同厚;内支撑、型钢尺寸和布置均按设计报告设置。

基坑数值分析土层计算参数表 表1

基坑数值分析时支护桩、锁口梁与内支撑均采用线弹性模型，弹性模量 E=27000 MPa，泊松比v=0.2，桩与锁口梁、内支撑单元均采用三维梁结构单元;底板采用壳单元模拟，弹性模量取c30混凝土的70%即21000 MPa;型钢斜支撑采用A3钢，弹性模量取为2.0 ×105MPa［1～4］。土体本构模型采用 Mohr － Coulomb弹塑性模型，土体单元采用三维8节点减缩单元。土层基本土性指标由勘察报告所得，有限元计算的变形模量E0由勘察报告上的土体状态以及压缩模量ES根据《岩土工程勘察实用技术研究》、《基坑工程手册》所给的关系结合经验所得［5～8］。基坑土体力学参数如表1所示。

3 计算结果分析

图2 支护体系数值分析模型

图3 拆除内支撑前后数值分析模型

基坑开挖模拟计算顺序:首先支护桩与粉喷桩施工至设计深度;然后从基坑开挖边线处以1∶0.6的坡比向坑内开挖，挖深4.0 m;其次开挖一个4.0 m宽的卸荷平台，施工锁口梁和内支撑;再次垂直开挖6.0 m到坑底，施工基坑底板和竖向H型钢斜支撑;最后在底板混凝土达到70%强度后分片拆除内支撑。按上述设计方案建立有限元分析模型(基坑全局模型单元数量很多，基坑立柱桩简化为竖向链杆约束，减小了支护结构的整体刚度，计算结果偏于安全)。有限元计算结果包括整个基坑土体与支护结构的应力分布和变形分布情况，选取典型分析过程的计算结果云图示意如下(本文计算结果图中位移单位为m、力单位为kN、应力单位为kPa):

3.1 锁口梁位移

图4为基坑开挖到坑底，内支撑未拆除前，锁口梁位移分布矢量图。有限元计算结果表明:三阳路侧锁口梁最大位移为19.0 mm，中山大道侧锁口梁最大位移为13.3 mm，华清园侧锁口梁最大位移为14.6 mm，京汉大道侧锁口梁最大位移为16.9 mm。监测结果依次为:17.0 mm、11.0 mm、15.0 mm、13.0 mm。计算结果和监测结果比较接近。

图4 开挖到坑底后锁口梁位移分布矢量图

图5为基坑开挖到坑底，加设竖向H型钢斜支撑，全部拆除内支撑后，锁口梁位移分布矢量图。有限元计算结果表明:三阳路侧锁口梁最大位移为33.2 mm，中山大道侧锁口梁最大位移为27.3 mm，华清园侧锁口梁最大位移为29.8 mm，京汉大道侧锁口梁最大位移为32.3 mm。监测结果依次为:33.0 mm、29.0 mm、38.0 mm、34.0 mm。计算结果和监测结果总体比较接近，监测变形结果偏大，分析其原因，主要是:H型钢斜支撑顶住锁口梁的节点与锁口梁底部接触点未接触紧密，给了锁口梁桩排变形的空间，因而基坑各段实际变形较大。

图5 拆除内支撑后锁口梁位移分布矢量图

从图4和图5两个图综合分析可以得到，基坑角点变形均较小，在图5中体系得尤为明显，充分体现了基坑的空间效应。在图4的情况，由于基坑全坑有刚度很大的内支撑支护，基坑的空间效应体现得不如图5情况那么明显。

3.2 内支撑轴力

各监测点实测轴力和计算轴力结果见表3，实测结果与计算结果比较一致，计算结果总体稍稍偏大，偏于安全。

图6 开挖到坑底后基坑内支撑轴力分布云图

图6表示开挖到坑底后内支撑轴力分布情况，从图6中，可以知道每一根内支撑梁所受的轴力，有限元计算结果表明，内支撑轴力最大值为3580 kN，最大拉应力为430.1 kN。采用有限元计算的方法，还可以计算各梁段剪应力和弯矩，从各梁段应力分布情况可以给梁进行截面设计和配筋，针对产生较大拉应力、剪应力和弯矩的梁段可以分别配筋以及选取合适的截面型式和尺寸，使设计既经济又安全。

内支撑监测点实测轴力与计算轴力对比表 表2

3.3 桩排弯矩

基坑开挖到坑底后，在未拆除内支撑前，有限元计算得到桩排的弯矩，监测桩共6根，现把计算结果与监测结果列表见表3:

从表3计算结果可比较得出，计算结果与监测结果大体一致，计算弯矩结果在基坑结构设计中作为标准值。

监测桩实测弯矩与计算弯矩最大值对比表/kN·m 表3

监测桩实测弯矩与计算弯矩最大值对比表/kN·m 表4

基坑开挖到坑底后，加设斜支撑、拆除内支撑后，计算结果与监测结果列表如表4。从表4计算结果可比较得出:监测桩负弯矩(即桩上端弯矩)计算最大值与监测结果相比总体偏大，监测桩正弯矩(即桩下端弯矩)计算最大值与监测结果相比总体偏小。

从表3和表4综合分析可得，无论是计算结果还是监测结果，拆除内支撑前后，桩身弯矩绝对值最大值在减小，桩下端弯矩增大。可见，支护桩最大配筋计算以拆除内支撑前的状态确定，结合桩下端弯矩最大值分布情况(监测结果表明桩下端最大弯矩位于桩底以上2.0 m处，计算结果表明桩下端最大弯矩位于桩底4.0 m或以上位置)，桩下端配筋可以适当减少，在保证安全的前提下，减少工程造价。

4 拆除内支撑前加设斜支撑与否对比分析

通过上述数值分析计算结果与监测结果的比较分析，数值分析计算与监测结果较吻合，数值分析反映出的整个基坑的变形情况和支护结构应力分布对基坑支护设计与施工以及基坑课题研究都有着重要意义。下面来进行拆除内支撑前是否加设斜支撑进行方案对比分析。若不加设斜支撑，数值分析计算得到锁口梁位移分布见图7:

图7 不加斜支撑拆除内支撑后锁口梁位移分布矢量图

从图7中可以看到:基坑锁口梁位于三阳路侧最大位移为42.1 mm，中山大道侧最大位移为36.3 mm，华清园侧最大位移为39.6 mm，京汉大道侧最大位移为40.1 mm;并且各锁口梁段除了角部位移较小外，其他都以接近最大位移值向坑内滑移。

数值分析对比计算结果表明:在拆除内支撑前，若不加设竖向斜支撑，锁口梁最大位移超过40 mm，不满足湖北省地方标准《基坑工程技术规程》对一级基坑支护体系最大水平位移不超过40 mm的要求;通过对比分析后，在变形最大位置按照一定间距布置了一定数量的竖向斜支撑，工程造价增加不多，位移控制的效果较好，充分反映了三维数值分析在基坑优化设计中的作用。

5 数值分析经济效果

上海同类基坑工程一般采用二层支撑，且支撑梁间距少，截面大。笔者在江花综合大楼基坑工程设计中，在对以往工程深入分析的基础上，结合场地条件，大胆地采用一层双环状内支撑，方便了土方开挖，对节省工期和造价十分有利。在此基础上，采用三维数值分析技术，还对支护结构进行了大量的优化工作，如进行了钻孔桩及方桩经济与可行性分析，支撑设置高度综合对比分析。在详细设计阶段，对桩底端弯矩较少的部分主筋减半，用Ⅲ级钢筋置换Ⅱ级钢筋。仅这两项，节约钢筋直接成本28万元。还对内支撑进行优化，使内支撑设置跨度大，截面小，节省直接成本25万元。与上海同类基坑相比，内支撑设计截面尺寸仅为上海内支撑的截面的70～85%，总方量为上海同类基坑的60～80%。江花综合大楼内支撑造价仅为上海同类内支撑基坑造价的70%左右。

6 结论

(1)通过对江花综合大楼深基坑工程进行全过程施工三维有限元数值分析，可以得到基坑施工不同阶段的变形和应力分布情况，通过与基坑监测资料的对比，表明数值分析的结果是比较准确的，积累了采用三维数值分析技术对大型基坑进行分析的经验。

(2)采用三维数值分析技术，可以充分考虑基坑内支撑的空间布置以及基坑的空间效应，可以很好实现对大型深基坑进行施工全过程的模拟，使基坑设计方案更加优化。

(3)通过对两种内支撑拆撑方案的对比分析以及基坑设计过程中支护结构不同截面型式和尺寸等方案进行对比分析，为基坑优化设计提供了参考，取得了可观的经济效益。

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