某新建总部大楼基坑工程偏压支护设计分析

戴志成 （苏州高新区（虎丘区）建设工程设计施工图审查中心，江苏 苏州 215000）

0 引言

伴随着我国城市化进程的飞速发展，地下空间开发力度不断加大，基坑开挖深度日益加深，周边环境情况也越来越复杂[1]，如某新建总部大楼基坑即位于东高西低的山坡脚下并且高差很大。地形起伏较大引起的不平衡土压力对基坑支护结构体系的影响，是本基坑支护设计计算面临的一道重大难题。论文通过采用弹性支点法进行单元计算、利用有限元进行偏压建模计算，较为准确地获得了支护结构的受力性状，并对工程进行了方案设计。通过与监测数据的对比分析，证明计算方法基本可行，为后续同类型基坑支护设计工程提供了有益参考[2]。

1 工程简介

1.1 工程概况

拟建总部大楼为地上1-7层地下1层办公建筑，按照“洄归”设计理念结构层层退台，建筑剖面如下图1所示。项目±0.00为85国家高程5.40m，首层层高6.05m，地下室顶板标高-0.80m，东南角纯地库位置顶板为-1.80m。由于地势变化，基坑西侧开挖深度6.6m，东侧基坑开挖深度11.15m，基坑总平面图见图2。

图1 建筑剖面

图2 基坑总平面图

1.2 工程地质概况

根据本项目岩土工程勘察报告，本工程地层分布由上而下依次如下。

①填土：层厚0.50～3.70m，层底标高3.39～8.22m。

②粉质黏土：层厚3.00～6.00m，层底标高-0.21～3.31m。全场地分布。

③粉质黏土：层厚3.30～5.50m，层底标高-4.49～-1.25m。

④粉质黏土：层厚1.70～14.50m，层底标高-18.51～-3.85m。

⑤粉质黏土夹碎石：层厚1.00～16.90m，层底标高-24.66～-5.39m。

⑥强风化砂岩：揭穿处层厚4.80～20.30，层底标高-33.66～-17.69m。

⑦中风化砂岩：单轴饱和抗压强度标准值为21.49MPa，岩体基本质量等级为Ⅳ级，岩芯采取率在60～80%，RQD=30～50。本层未揭穿，全场地分布。

本基坑侧壁土层为第1，2，3层。基坑土层特性可见表1。

基坑土层特性表 表1

1.3 水文地质条件

对本工程基坑开挖有影响的地下水主要有两种类型，即潜水和承压水[3]。

①潜水：潜水含于第（1）层填土，主要由大气降水补给，以蒸发、向近河渗透等方式排泄，水位随晴雨天气变化。本场地地下水的稳定水位深度为0.50～1.40m，丰水期与枯水期地下水稳定水位变化幅度在0.50～1.00m；

②微承压水：承压水埋藏于第（5）层粉质黏土夹碎石及（6）强风化砂岩中。该层水具弱承压性。根据水文地质勘察报告，该层水位标高为6.93～7.20m（85国家高程基准）。

2 基坑围护设计方案

2.1 基坑特点

本基坑地下仅1层，开挖面积约5000m²。由于结构形式复杂，因此底板及顶板标高种类繁多。底板周边有地梁和承台并且下落深度较大，设计计算需按不利的承台深度考虑。

基坑西侧基坑开挖深度6.6m左右，而东侧则为11m左右，基坑东西两侧相对高差超过4m，土压力不平衡现象明显。如何考虑土体偏压问题、确保基坑工程的安全，对支护设计计算提出较高挑战。

2.2 基坑设计方案选型

一般来说，基坑工程支护设计选型一般综合下列因素考虑确定：

①结合基坑平面形状及尺寸选择合适的支撑布置形式及手段；

②结合基坑的设计等级及开挖深度选择合适重要性系数；

③结合基坑工程地质及水文地质条件选择合适的支护体系；

④结合基坑环境对变形的要求选择合理的变形控制标准；

⑤结合主体地下结构和基础类型选择便于施工、节能环保的支护材料。

本工程周围环境较为复杂，场地东西为市政道路且临近基坑有市政管线，项目不具备放坡条件需直立开挖。考虑到排桩结构具有较强的变形控制能力，同时结合本地关于锚索使用政策的限制[4,5]，故初步选用灌注桩/地下连续墙结合内支撑的支护形式。

在进一步的支护结构选型上，考虑到地下连续墙工程造价较高，且本基坑土质较好，选择灌注桩做支护结构更加经济可行。根据地层特性，本次灌注桩采用旋挖成孔。

对于内支撑的选型，考虑到本基坑为偏压荷载，钢支撑受力分析复杂并且对施工要求较高，一旦破坏则后果不堪设想。又由于混凝土内支撑抗压强度较大并且节点可靠整体性好，更有利于协调基坑的不均匀土压，因此选择了混凝土支撑体系。支护桩采用φ900@1200钻孔灌注桩，设置一道支撑，支撑设置在标高-0.9m处，截面1000*800mm。设计考虑采用角撑+对撑的支撑方式，以进一步发挥混凝土的抗压强度，形成较为开阔的土方开挖空间，并节省材料[6]。支撑平面图见图3。

图3 基坑围护设计方案

3 设计计算和有限元分析

3.1 支护结构设计计算

支护结构的设计需依据基坑工程地质及水文地质条件，结合基坑周边不同环境进行分段处理设计，以实现经济合理科学的设计目标。本基坑总体侧壁安全等级按二级考虑，重要性系数为1.0；东侧深度较大接近11m，侧壁安全等级一级考虑，重要性系数为1.1。根据建筑基坑支护技术规程，采用弹性支点法分别对基坑东北角、西北角、东西南北侧进行单元计算，以朗肯理论模型分析计算主动土压力。

经反复计算调整，支护结构的计算设计结果均满足整体稳定性、坑底抗隆起及抗渗流等多项规范指标要求，得到了不同支护剖面的位移及内力包络图。典型剖面东侧剖面3a围护结构位移、内力包络图如图4所示。通过对比分析，可见东西两侧计算结果差异不大，桩身变形及弯矩分布形态较为接近，东侧计算所得支护桩身最大弯矩大于西侧。其中，支护桩身最大位移约11mm，满足一级基坑变形控制要求。

图4 3a剖面基坑围护设计方案

3.2 有限元数值模拟

为进一步研究偏压基坑受力性状，采用有限元数值模拟方法，模拟计算基坑在东西两侧高差导致的土压力不平衡条件下支护体系的整体位移、内力分布及支撑轴力情况。

3.2.1 计算模型

本基坑平面较为规则，形状近似长方形，因此可基于平面应变假定采用二维平面模型进行简化分析。设计计算参数根据地勘报告选取，混凝土材料按线弹性本构模型；土体计算采用HSS小应变硬化模型。本模型已经过实践证明其对于基坑开挖卸载工况具有较好模拟精度；计算工况完全按照实际开挖工序进行模拟，二维模型如图5所示。

图5 基坑模型图

图6 水平位移云图、变形趋势图

3.2.2 计算工况

根据施工总体安排，本次模拟计算工况包括如下几步：首先进行初始地应力平衡，然后工况一开挖至-0.9m；工况二激活混凝土支撑单元模拟施工桩顶冠梁及支撑；工况三开挖至-8.1m处，挖至基坑底部。

4 计算与实测数据对比分析

本基坑工程自2020年10月开始施工支护桩，至2021年8月地下室完成施工并回填，共历时10个月。在基坑工程施工过程中，委托第三方专业单位进行了全工况信息化监测，监测结果包括支护结构的项变形和受力情况，部分主要监测成果与计算分析进行对比分析如下。

4.1 支护桩桩身水平位移

本基坑东侧剖面采用直径900@1200钻孔桩+一道混凝土支撑，采用弹性支点法和二维平面有限元计算结果均表明，支护桩桩身弯矩及位移最大值均出现在支护桩中部接近坑底位置。对比桩身测斜曲线，可见桩身变形基本发生在8m左右深度处，计算与实测数据对比如图8所示。

图7 东侧支护桩工况一、二位移图

图8 计算结果与实测数据对比

此外，由监测结果和计算结果可知，桩身位移实测值最大，单元计算值最小；同时由于坑底土质较好，为硬塑粉质粘土，因此单元计算与数值模拟结果均表明开挖到底后变形稳定，支护桩位移不再增加。

4.2 支撑轴力对比分析

二维整体有限元计算与实测数据对比分析结果（图9）所示，轴力变化较为稳定，轴力最大值发生在基坑开挖至基底部分。

图9 支撑轴力变化图

5 结论

本基坑深6.85m～11.15m，周边环境复杂，东西两侧地形高差较大，具有显著偏压受荷特点。本文介绍了本次工程的基坑支护方案对比选型、弹性支点法设计计算及平面有限元模拟情况，通过对理论计算与现场实测对比分析，得出以下几点结论：

①基于某公司新建总部大楼基坑工程的工程地质与水文地质条件，采用弹性支点法和有限元仿真模拟，得到了在基坑工程不同开挖工况下支护结构的位移及内力性状，并进行了分析；

②在考虑不平衡土压力的情况下采用钻孔灌注桩和混凝土支撑的支护方案，计算结果显示会产生向土压力较小一侧的整体偏移，但偏移结果不明显。表明此设计方案思路可行，可有效控制基坑变形，可以为后期同类型基坑支护方案提供参考，具有一定的参考意义；

③采用弹性支点法及二维平面有限元分析的支护桩身位移、支撑轴力数据均小于现场监测数据，表明由于在参数不确定性、本构模型理想化及实际施工工况复杂多变的影响下，理论计算尚无法完全翔实模拟基坑施工过程中的内力及位移性状，但是其计算结果所得到的变形及内力规律与实测较为相符，基坑工程施工仍需高度重视信息化监测工作。