某软弱地基深基坑支护计算分析

刘全兴，张翠莹

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）

引言

近年来，我国基坑开挖及支护结构研究越来越多，许多学者分别从数值分析、理论推导等角度对基坑空间支护进行了模拟，并与实际工程的检测数据进行了对比分析[1]。基坑支护结构作为一种临时性结构，在保证基坑及邻近工程环境安全的前提下必须考虑其经济性[2]。因此如何在确保结构安全稳定和变形得到有效控制的前提下，综合考虑基坑开挖深度、土体特性以及邻近工程保护等级、施工条件等各因素，针对工程特点采用经济合理的支护形式，对基坑的设计和施工都有着非常重要的意义。本文结合实际工程对基坑支护进行计算，从而确定支撑体系的最终实施方案。通过现场实际施工情况论证数值模拟计算及支护结构选择的合理性。

1 工程概况

某取水口工程基坑南北向最大长度约为 62 m，东西向最大长度约为50 m，开挖总深度为14 m，取水口深基坑结构边线与后方厂区道路边线的净距为24 m，与海侧护岸边线净距为14 m。

取水口基坑围护结构采用厚度为1.2 m 的钢筋混凝土地下连续墙结构。基坑采用钢结构支撑体系，支撑体系由钢管、冠梁、钢围檩及立柱组成，基坑支护平面布置见图1。

图1 基坑支护平面图

施工采用陆上分层开挖、分层支护配合基坑内外侧临时降水的方案。基坑开挖步骤如下：

第1 步：整平场地标高至4.5 m，施工地下连续墙；

第2 步：基坑开挖至3.0 m，分段施工冠梁-第一道钢支撑；

第3 步：分块、分层开挖至-1.0 m，分段施工冠梁-第二道钢围檩、支撑；

第4 步：分块、分层开挖至-5.0 m，分段施工冠梁-第三道钢围檩、支撑；

第5 步：分块、分层开挖至-8.0 m。见图2。

图2 基坑开挖步序图

根据勘察报告，工区地层为第四纪海相沉积层与陆相沉积层，以海相沉积为主，沉积韵律较明显，新近沉积土层较为松散软弱，土层的强度从上至下逐渐增大。根据工程区域钻探资料，工区地层主要由淤泥、淤泥质粉质粘土、粉土及粉质粘土、密实粉细砂等组成。

2 基坑支护计算

目前深基坑支护结构设计中种常用的基本计算方法主要有极限平衡法、地基反力法和有限元分析法。

极限平衡法的基本计算原理是将超静定问题简化为静定问题求解，既先假定被动土压力和主动土压力在是围护墙前后分别所受的土压力，再作其它一些力学上的简化假设。极限平衡法常用于土层较均匀、周围环境较稳定的支护结构。

弹性地基反力法计算时可以考虑墙体弯矩、支撑轴力、土压力等随开挖过程的变化，同时土刚度和结构刚度的作用能够得到合理的分析解释。基坑内开挖面以上的内支撑点，通过弹性支座模拟。

有限元法的基本原理是将基坑视为一个空间结构体系，不仅包括支护结构本身，地基土也在内。同时考虑开挖过程中各因素的综合影响，包括渗流、施工条件、支护结构与土的相互作用等因素的影响，综合分析开挖引起的环境效应、支护结构的变形及内力等。有限单元法与常规计算方法相比其主要优点是在模拟计算分析时可以考虑基坑的整体型状。

针对理论方法及有限元法的特点，本文分别采用理论方法及有限元方法对深基坑支护进行计算分析。

2.1 理论计算及结果

由于极限平衡法常用于土层较均匀、周围环境较稳定的支护结构，不适应大型复杂、空间效应明显的基坑，理论计算采用弹性地基反力法。

基坑内开挖面以下作用在地连墙面的弹性抗力根据地基土的性质和施工条件等因素计算，并通过水平弹簧支座来模拟。基坑开挖面以下，水平向弹簧支座的压缩弹簧刚度KH和垂直向弹簧支座的压缩弹簧刚度KV，应考虑基坑土体加固、基坑降水以及工程桩布置的影响，按下列公式计算：

式中：

KH——土体水平向压缩弹簧刚度（kN/m）；

KV——土体垂直向压缩弹簧刚度（kN/m）；

图3 板式支护体系围护墙计算图

理论计算时支撑尺寸采用630 mm 钢管（壁厚6 mm），地连墙正负弯矩分别为+1 797 kNm、-2 008.9 kNm。

2.2 有限元计算及结果

1）结构模型

Midas-GTS 是专业岩土有限元计算软件，基本涵盖了岩土方面所有的分析计算功能，经过国内外很多大型工程的运用和验算，结果准确可靠。本工程采用修正摩尔库伦本构模型进行模拟[3]。模型网格划分见图4.

图4 模型网格划分图

2）支撑体系选择

由于本基坑支护结构作为一种临时性结构，在保证基坑及邻近工程安全的前提下必须考虑其经济性。因此通过Midas-GTS 分别对550 mm 钢管（壁厚6 mm）、630 mm 钢管（壁厚6 mm）、750 mm 钢管（壁厚8 mm）以及750 mm 钢管（壁厚10 mm）支撑进行计算。通过统计地连墙位移及弯矩、钢支撑轴力及基坑底面隆起量确定最终选择方案。

3）不同刚度支撑分析

计算结果见表1。

表1 计算结果对比表

通过计算结果可知，随着支撑刚度的增大，地连墙最大水平位移明显减小；地连墙最大正弯矩增大，最大负弯矩减小。同样，随着支撑刚度的增大，支撑轴力加大，基坑底面隆起减小。此结论与前人[4]计算结果基本吻合，通过计算结果统计表可以看出，随着支撑刚度的增加，地连墙水平位移、最大负弯矩以及基坑底面隆起的减小幅度越来于越小，因此实际工程中可以据此来选择合理经济的支撑方案。

3 理论计算与有限元计算对比分析

采用弹性地基反力法对本项目基坑支护结构进行计算，地连墙弯矩计算结果对比见表2。

表2 地连墙弯矩对比表

由理论计算与有限元模拟计算结果可以看出，理论计算时地连墙弯矩较有限元模拟计算时小，计算结果差异主要是因为理论计算为二维平面计算，未考虑基坑的空间效应。本工程基坑结构复杂，因此采用有限元三维计算结果更加真实可靠。

4 开挖过程支撑内力分析

经过综合考虑，本工程最终选用630 mm 钢管（壁厚6 mm）作为支撑，采用有限元法对方案不同开挖过程中的各层支撑内力计算结果见表3。通过结果可以很明显的看出，随着土层不断开挖，各层支撑轴力逐渐变大；当开挖完成后，最大支撑轴力出现在第二层，第一层支撑轴力略大于第三层均小于第二层。由此可以看出，在基坑开挖完成并依次浇筑混凝土底板及侧壁时应按支撑内力计算结果分层拆除支撑，并在支撑内力较大处设置临时换撑，以满足基坑安全稳定需要。本工程临时钢换撑结构见图5。

表3 开挖过程各层支撑内力表

图5 换撑布置图

5 结语

1）本文通过对不同刚度的支撑体系进行计算分析，得出了刚度变化对地连墙及支撑内力的影响，并对最终支撑方案的选择提供了指导。

2）对于结构复杂、空间效应明显的基坑，应采用三维模型计算，其计算结果更加真实可靠。

3）通过计算可以看出，随着支撑刚度的增大，地连墙最大水平位移明显减小；地连墙最大正弯矩增大，最大负弯矩减小。同样，随着支撑刚度的增大，支撑轴力加大，基坑底面隆起减小。

4）由计算结果可以看出，随着支撑刚度的增加，地连墙水平位移、最大负弯矩以及基坑底面隆起的减小幅度越来于越小，即随着支撑刚度的不断增加，对地连墙受力的改善幅度越来越小，因此实际工程中可以据此来选择合理经济的支撑方案。

5）本文通过对基坑支护进行三维数值计算，得出支撑刚度与地连墙及支撑内力之间变化的关系，在本工程中产生了较好的经济效益，并对类似工程提供了借鉴。