深基坑工程支撑结构计算分析

樊启广 周航生 李本悦 徐 成

(1.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310028; 2.浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州 310014)

基坑工程的开挖与支护一直是一个综合性的工程难题，涉及各个领域的知识和技术，随着城市扩张，科技发展，关于基坑开挖的计算也有了很大的改进。外国学者Terzaghi和Peck根据工程实测数据，在20世纪60年代提出了著名的Terzaghi-Peck表观土压力用于基坑工程支护设计，并且被国际工程广泛使用。而我国则是在改革开放之后80年代，由于城市高速发展出现了大量基坑工程［1，2］。但在建设初期，基坑工程并不受重视，没有系统的支护结构受力计算方法和理论，导致工程事故频频发生。进入90年代，城市发展更是导致了基坑工程建设的热潮，基坑问题也受到了工程各界越来越多的关注。在建设部颁布了《建筑基坑支护技术规程》之后，上海、广州等城市也根据自己的地域要求颁布了地方技术规程［3］。随着计算机技术的发展，使得有限元软件在基坑工程计算上也得到了广泛的应用，为基坑工程的建设提供了越来越科学的计算依据。国内学者也做了很多这方面的研究，高文华等［4］通过建立三维有限元分析模型，同时考虑基坑开挖的时空效应和基坑周边土体的流变效应对围护结构位移的影响，计算出在不同工况下土体和结构的位移。

1 基坑工程计算方法简述

一般基坑支护结构均简化为受侧向土压力作用的受力结构，根据多年的技术发展，主要的基坑结构计算方法大致可以归纳为以下3 种类型［5］。

1.1 经典方法

利用经典的理论土压力方法将围护结构简化为受侧向荷载的梁系。这种方法非常简单，可以手算估测，但是并不能分析结构位移，也不能考虑施工对工程的影响。

1.2 弹性地基梁法

将水平支撑看成一个弹性支点，侧边土体看成连续分布的土弹簧，土压力计算则采用经典的土压力理论。

1.3 有限元法

把土和围护划分成单元，确定边界条件，土体根据其特性选用相应的本构模型模拟。早期二维模型较多，为满足变形的空间效应，三维模拟也很快发展起来。因为能由程序设定考虑工况和施工步骤，倍受新学者青睐。但实际工作中由于本构模型参数不易确定，程序本身较为复杂对模拟人员要求很高，而且根据各方实践经验，很多分析依然太过于理想，与现实差距较大，因此该方法并未在工程实践中得到普遍应用。而随着软件的发展和理论的充实，越来越多的复杂工程必须依赖有限元计算，有限元法必将成为以后工程设计分析的主流。

2 工程概况

拟建场地现为绿化地，地势平坦。基坑东侧、南侧为高层居民住宅区，桩基础、一层地下室，基坑北侧、西侧为市政道路，人行道与道路下埋设有雨水管道、给水管道、通讯管道、污水管道、电力管道。地下室外边线离东侧、南侧居民楼约6 m，离北侧、西侧道路仅2 m～3 m，场地用地条件非常紧张。

拟建安置房为一幢8层三产配套用房，框架结构，设2层地下室，工程桩采用灌注桩。工程的北面和西面是城市交通干道，东面和南面是已有小区住宅楼。

场地地表15 m深度范围内为透水性强的砂质粉土和粉砂，深部为透水性差的淤泥质粉质粘土。本项目场地用地条件非常紧张，紧邻民居和道路，无放坡空间。综合考虑:采用钻孔灌注桩+一道钢筋混凝土支撑的支护方式，坑外采用三轴搅拌桩止水，同时坑外采用自流深井将坑外水位降低至地表以下4 m(勘察期间的地下水位)。

地形、地下水条件为:拟建场地位于钱江南岸冲—海积平原，上部以砂质粉土和粉砂为主。拟建场地表面为绿化地，上部为填土层铺垫，场地平坦，地面高程6.6～6.9。孔隙潜水赋存于上部砂质粉土及粉砂层中，地下水受大气降水及地表水补给，地下水位受季节性及气候影响变化很大，常年水位约为1.00 m～1.20 m，雨季时可达地表，受场地地势及邻近场地井点降水施工影响，勘察期间测得地下水位埋深3.70 m～4.00 m。

图1 支撑平面布置图

要减少基坑对周边的影响水平支撑就显得相当重要，本项目就对基坑支撑的各项数据进行了模拟分析，水平支撑具体做法如下:如图1所示:冠梁截面尺寸1 000×700(高)、围檩截面尺寸1 000×800(高)、主支撑截面尺寸800×800(高)、次支撑截面尺寸600×800(高)。配筋见图2，支撑混凝土强度等级均为C30;主筋为HRB400;钢立柱不在支撑范围内时须加挑梁或加大支撑节点捣角宽度，挑梁做法同主支撑;未注明钢筋锚固长度均为35d;保护层厚度20 mm。

图2 冠梁、围檩、主支撑、次支撑配筋图

3 ANSYS计算分析

本论文仅根据设计分析支撑的受力及位移，采用国际通用的商业有限元软件ANSYS建立支撑体系的空间分析模型。支撑受力计算模型见图3。

图3 支撑受力计算模型

输入支撑结构的各项尺寸和材料数据，根据剖面计算结果，作用在冠梁的荷载强度为q=250 kN/m，支撑变形和受力计算结果如下。

由图3分析得:支撑最大变形为16 mm，位于基坑东南面的围檩中间。

图4 支撑变形

如图4所示:冠梁支座处最大弯矩计算值2 190 kN·m，跨中最大弯矩计算值1 800 kN·m。按跨中弯矩控制配筋，围檩截面尺寸 1 000 mm ×800 mm，对称配筋，单侧需配 12Ф25，实配12Ф25。如图5所示:支撑最大轴力计算值为3 770 kN，主撑截面800 mm×800 mm，抗力为9 100 kN＞3 770 kN。如图6所示:支撑自重最大弯矩计算值335 kN·m。支撑截面尺寸800 mm×800 mm，对称配筋，单侧需配4Ф22，实配7Ф22。

图5 冠梁弯矩（支座最大弯矩2 190 kN·m，跨中最大弯矩 1 810 kN·m）

图6 支撑自重弯矩（最大弯矩335 kN·m）

4 结语

基坑支护技术涉及因素很多，针对建筑基坑支护的问题，本文简单介绍了常用的计算方法，然后结合工程实际案例，利用ANSYS有限元分析软件对支护结构的支撑部分进行分析，计算出相应的受力情况、位移和弯矩等信息。在之后的工作中需要获取该工程施工过程中的相关信息，用以验证有限元分析的科学性，为今后的支护方案分析提供依据。

［1］刘建航，侯学渊.基坑工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997：1-5.

［2］徐希萍.深基坑支护技术的现状与发展趋势［J］.福建建筑，2008，116(2)：34-36.

［3］龚晓南，高有潮.基坑工程设计施工手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998：3-11.

［4］高文华，杨林德.软土深基坑围护结构变形的三维有限元分析［J］.工程力学，2000(2)：124-140.

［5］杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用［J］.岩土力学，2004，25(12)：1885-1896.

［6］赵光辉，彭 昊，高 博.基于ANSYS的某软土基坑有限元分析［J］.山西建筑，2012，38(16)：83-84.