深基坑围护结构内支撑优化设计

朱嘉科， 谭林利

(1.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015;　2.南华大学 城市建设学院， 湖南 衡阳　421001)



深基坑围护结构内支撑优化设计

朱嘉科1， 谭林利2

(1.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015;2.南华大学 城市建设学院， 湖南 衡阳421001)

摘要：在深基坑工程中，影响其围护结构稳定性因素众多，由于工程地质及环境等因素多变，各因素相互作用更为复杂。以郑州市某明挖深基坑工程为实例，围绕该深基坑围护结构的稳定性问题，对深基坑围护桩的水平位移进行施工实测，同时利用ANSYS有限元模拟方法及理正结构设计软件对其进行数值模拟。首先在相同位置处，把由软件分析和实际施工监测所得数据相对比；在同时满足工程安全、可行、经济的前提下，提出结构优化设计，通过软件模拟其内支撑在不同的位置而得到的不同模拟数据与相应的施工实测数据进行对比，之后分析由其位置的变化与围护结构桩体变形的规律，进而分析出内支撑位置的变化对深基坑围护结构稳定性的影响，从而使结构设计得到优化。

关键词：深基坑； 围护结构； 数值模拟； 优化设计； 变形

0引言

近些年来，随着城市密集化程度的逐渐增加，交通运输需求的日趋扩大，发展地下工程，充分利用地下空间，成为缓解中国各大城市交通拥挤问题的趋势。而地下深基坑的施工过程中 ，其围护结构的稳定性高低无疑是其建设成功的首要问题，也是关键问题之一[1]。深基坑围护结构不仅要满足结构的强度要求[2]，同时也要满足构件的变形要求，而深基坑工程一般为地下施工，其所处环境可变量多，影响因素多而复杂[3]。本研究以郑州某开挖深基坑的围护结构为实例，以实际施工监测的排桩围护结构水平变形为研究对象，同时利用理正结构设计软件及ANSYS模拟软件进行有限元数值模拟分析。有限元数值模拟与实际施工基坑监测数据结果进行对比并分析其变形规律[4]，进而优化结构设计方案。

1工程实例

1.1工程概况

该基坑位于郑州市郑花路与三全路交叉口，沿郑花路呈南北走向布置。基坑全长186.5 m，宽18.7 m，标准段基坑尺寸为18.7 m×12.96 m，埋深约17 m；加宽段尺寸为23.9 m×12.96 m。本文采用加宽段MBZ3 — XLL — 003钻孔资料，对该断面的围护结构进行计算，该钻孔处各层土体分布及土体物理力学参数见表1。

1.2基坑围护结构内支撑设计

该深基坑采用明挖法顺筑法施工。围护结构降水采用钻孔灌注桩结合基坑外降水方案，基坑主体围护结构采用Φ1000 mm@1200 mm钻孔灌注桩+钢管内支撑，桩间土采用挂网喷射混凝土，外放300 mm做φ850@600 mm的三轴搅拌桩止水帷幕，止水帷幕需进入隔水层。基坑内设置3道支撑加1道换撑，4道支撑均采用Φ609钢管支撑，具体布置关系见图1。

1.3有限元模型建立及模拟

本工程采用的计算软件北京理正深基坑支护F — SPW7.0PB1，是由北京理正软件股份有限公司自主研发的基坑计算软件，是目前国内在深基坑支护设计类工程上使用最广泛的计算类软件。结构按施工过程采用“增量法”进行受力分析，开挖期间围护结构作为支挡结构，承受全部的水土压力，使用阶段由主体结构承载。施工阶段受力分析模拟了施工过程，遵循“先变位，后支撑”的原则，在计算中计入结构的先期位移值及支撑变形，采用弹性有限元法进行结构计算，地基对结构的作用采用分布水土压力及一系列不能受拉的弹簧进行模拟，最终的位移及内力值为各阶段累加值。使用阶段将结构视为底板置于弹性地基上的平面框架进行分析。

表1 土层的物理力学参数土层编号土层名称天然密度/(kg·m-3)压缩模量/MPa静止侧压力系数内摩擦角/(°)粘聚力c/kPa土层深度/m1-0杂填土18.015.0152.62-3细砂20.311.400.3424.613.94-3细砂21.211.970.3228.57.24-6粉质粘土20.07.290.4516.5254.54-3细砂21.211.970.3228.53.04-5粉土20.510.000.4321.0134.8 注:根据地勘报告整理。

图1　主体围护结构横剖面图(单位： mm)

深基坑围护结构整体主要包括地下围护桩、钢支撑、混凝土结构、周围土层等几大部分。由于深基坑施工过程较为复杂，在使用ANSYS有限元方法分析时常将土体视为弹性或弹塑性材料，并作出如下假设： ①将岩土体视为连续均匀、各向同性介质，采用D — P屈服准则； ②仅考虑土体自重应力的影响[5]。在工程施工过程中各部分之间相互作用，建立模型时，土体的两侧面边界各取约为基坑开挖宽度的3倍(水平方向两侧各取40 m)，竖直方向从基坑底向下取约为基坑开挖深度的3倍(竖直方向取为60 m)。土体采用ANSYS软件中三维实体单元Solid45来模拟，钢支撑采用梁单元beam188进行模拟[6]。围护桩采用C30的混凝土，根据经验值将弹性模量E取为25 GPa，泊松比v取0.20，重度为25 kN/m2，钢支撑弹性模量E取为200 GPa，泊松比v取0.26，重度为25 kN/m2。在基坑开挖前已经进行了基坑降水处理，因此不考虑地下水对基坑围护结构变形的影响。深基坑整体有限元模型如图2所示。

图2　深基坑整体有限元模型

2对比结构分析

2.1施工监测与数值模拟结果对比

本文选取该基坑的某一处横剖面为模型，该断面采用3道钢支撑加1道换撑的内支撑形式，第1道钢支撑的水平间距为6 m，其余3道钢支撑均为3 m；各支撑的竖向间距分别为1.5、5.5、5.5、1.5 m，通过统计实际施工中桩体水平位移量的监测数据，并把数据与ANSYS对应模型模拟所得结果进行对比，具体对比结果见图3和图4。

图3　桩体水平变形图

图4　桩体水平位移对比曲线

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120 — 99)的规定[7]，本工程基坑安全等级为一级，即变形控制保护等级为一级[7]，应控制基坑外地面最大沉降量≤25.8 mm(≤0.15%H)，围护结构最大水平位移≤25.8 mm(≤0.15%H且≤30 mm)，H为基坑开挖深度。其变形量均满足深基坑水平位移变形量。由统计与计算模拟结果分析可知，桩体的总体变形趋向于“弓”型变形，三者总体大致变形趋势相近，在桩体的约2/3位置变形达到最大值。故在实际工程中，可用数值模拟程序来模拟实际工程，计算出工程施工中桩体的大致变形量为多少，通过不断调整参数进而使结构设计得到进一步优化[8]。

2.2优化设计结果分析

不同的设计方案在实际施工中会使工程的结构产生不同程度的变形[9]，本文在原方案的基础上，通过改变原设计内支撑的位置，利用ANSYS数值模拟程序对该断面进行模拟，得出不同支撑位置及相对应的桩体水平位移最大值的具体数据变化如表2所示，具体不同设计参数得到的具体位置变形量大小对比见图5。

表2 优化设计的支撑位置类别竖直间距/m支撑1支撑2支撑3支撑4桩体最大位移变形值/mm设计11.55.35.71.526.15设计21.55.55.51.525.2设计31.55.75.31.524.98设计41.55.95.11.523.07设计51.56.14.91.522.01设计61.56.34.71.522.55 注:上述各设计的差异在于内支撑2与3的竖向间距大小。

图5　桩体水平变形对比曲线

分析对比结果得：

1) 根据表2和图5中数据可知，在其他因素相同的条件下，内支撑的支撑位置变化对桩体的水平位移产生重要影响，随着内支撑位置的变化，其围护结构桩体的水平位移大小也发生变化，并在设计5设计的位置约达到最小位移。在实际工程中，应对支撑位置进行多次计算模拟对比后取其最优设计位置。

2) 随着基坑的开挖与支撑，其桩体的最大水平位移位置约发生在基坑开挖深度的中上位置，且其变形总体趋向于“弓”型变形，故在此位置附近可采取对应其他措施防止其发生更大变形。

3) 由于地下工程环境复杂，不可控因素较多，再加上实际施工中难免会出现各种各样的误差，导致实际监测数据往往比设计计算值大，所以在实际工程中应尽可能使深基坑结构设计最优化，从而使其变形量满足规范要求，使工程达到安全、稳定效果。

4) 根据图4、图5及表2所得到的数据结果显示，运用ANSYS数值软件所模拟的围护结构排桩的水平位移与实际施工监测到的数据其变化趋势相同，数据相近，故其计算结果可适当作为设计依据参考。

3结论

结合上述实际地铁工程的相关资料分析，运用适当的模拟软件对深基坑结构工程进行模拟分析，从而使深基坑围护结构内支撑设计达到最优化，这样使其变形量既能满足结构设计规范要求，使工程达到安全、稳定要求；而又从另一方面来说，在保证工程安全的前提下，围护结构内支撑的优化设计，为社会节省一定的人力、物力资源，也使工程成本经济达到较优化的状态。

参考文献：

[1] 谢秀栋，刘国彬，李志高,等．邻近运营地铁车站基坑开挖土层位移特性分析[J]．地下空间与工程学报，2007，3( 4): 742-744，757．

[2] GB 50010-2010,混凝土结构设计规范[S].

[3] GB 50157-2013,地铁设计规范[S].

[4] 孙凯，许振刚，刘庭金,等．深基坑的施工监测及其数值模拟分析[J]．岩石力学与工程学报，2004，24( 2): 293-298．

[5] 霍润科，颜明圆，宋战平.地铁车站深基坑开挖监测与数值分析[J].铁道工程学报，2011(5)：81-85．

[6] 刘杰，姚海林，任建喜．地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J]．岩土力学，2010，31( S2): 456-461．

[7] JGJ 120-2012,建筑基坑支护技术规程[S].

[8] 李淑，张顶立，房倩,等．北京地铁车站深基坑地表变形特性研究[J]．岩石力学与工程学报，2012，31(1): 189-198．

[9] 杨磊.地铁深基坑支护方案的优化探讨[D].武汉：武汉理工大学，2011．

中图分类号：U 45

文献标识码：A

文章编号：1008-844X(2016)01-0113-04