某商业综合体深基坑支护设计

1 引言

20 世纪70 年代以前，我国深基坑工程较少，随着经济的高速发展，高层和超高层建筑越来越多，深基坑工程数量不断增加，施工技术也不断革新。 Wei Lu 等[1]结合三门核电项目的工程实践， 介绍了控制基坑桩锚支护系统变形的设计方案和方法，为软土地基的深基坑支护提供了参考。 近年来，数值模拟在锚杆支护设计中应用非常多。张迪[2]采用数值模拟计算方法， 分析研究桩锚支护条件下深基坑在整个开挖支护过程的受力特点和变形规律，对桩径、桩间距和桩长等参数进行了优化。 李元勋等[3]研究了锚杆预应力和基坑稳定性的关系，对比了Plaxis、理正深基坑软件以及相关规范的计算结果。周勇等[4]结合工程实例， 采用数值模拟了桩锚支护结构的内力与变形规律。 因此，本文基于前人的理正计算深基坑的方式，结合当前所建设的工程进行深基坑的支护计算并设计。

2 工程概况

2.1 工程简介及其特点

拟建场地位于山东省东营市，总建筑面积140 297.37 m2，其中，住宅建筑面积117 846.08 m2，商业建筑面积8 025.69 m2，幼儿园建筑面积3 609.65 m2，地下建筑面积10 815.95 m2。 拟建场地地势平坦，地貌类型单一，无不良地质，地质环境未受破坏，工程地质条件简单，场地稳定，适宜建筑建设。 本工程场地平整后标高39.45 m，基坑底部标高22.45 m，基坑深度为17 m。基坑支护结构安全等级为一级，支护结构设计使用年限1 年。

2.2 工程地质条件

拟建场地地下水埋深实测稳定水位深度为15.45～16.25 m，稳定水位标高介于1.58～1.63 m，地下水类型为潜水。

基坑岩土物理力学性质参数见表1。

表1 基坑岩土参数表

3 深基坑分区设计

3.1 支护分区及方案比选

根据基坑侧壁土层分布、周边建（构）筑物的基础形式和埋深以及与本基坑的距离、拟采用的支护形式等情况，将基坑进行分区，选取4 个代表断面进行计算。 基坑西侧和南侧为支护一区，基坑北侧和东侧南段为支护二区，基坑东侧北段和中段为支护三区，基坑东侧阳角处为支护四区。

据勘察可知，该工程所在场地土质良好，基坑安全等级为二级，不能采用放坡方案。 支护一区、三区、四区周围建筑荷载较小，离既有建筑物距离较近，开挖深度范围内未见地下水，土质较好，满足桩锚支护的适用范围，确定使用排桩结合锚杆进行支护。 支护二区周围没有建筑物，场地开阔，采用桩锚支护方案，施工较为简单。

3.2 支护一区

3.2.1 周边荷载情况

支护一区有某综合体，该综合体地上22 层，地下3 层，其中有16 层为后加层，地下室每层3 m，地下室总深度为9 m，建筑物基础形式为筏板基础， 因此， 该地面超载， 选取超载q=20 kPa，部分区域临近平房，取地面荷载q=10 kPa，视为无限荷载，作用深度为0 m。

3.2.2 锚杆支护

基坑开挖深度为17 m， 一共设置4 道锚杆， 每次超挖0.5 m，便于支护施工。 锚杆水平间距1.5 m，竖向间距2.0 m。

3.2.3 排桩计算

排桩最小入土深度：1.2y+x=1.2×6.04+2.47=9.72 m， 取10 m（y 为嵌入点以下的深度；x 为土力零点距坑底的距离，由土力零点前坡土强度和后土主土力求得）。 为满足抗倾覆稳定性，取排桩嵌固深度为20 m。 排桩总长度为17+20=37 m。

纵向受力钢筋选用HRB400，箍筋选用HRB335，纵向抗拉强度设计值fy=360 MPa，箍筋抗拉强度设计值fyv=300 MPa。排桩直径取0.8 m，选用C30 混凝土。则有：

式中，M 为单桩抗弯承载力，N·mm；A 为桩的横截面面积，mm2；r 为桩的半径，mm；α 为对应与受压区混凝土截面面积的圆心角与2π 的比值；αt为纵向受拉钢筋截面积与全部纵向钢筋截面积的比值；fc为混凝土轴心抗压强度。 求得α=0.26，αt=0.73。

3.2.4 锚杆设计

锚索均选用1×7 钢绞线，单束锚索直径为15.2 mm，抗拉强度设计值为fpy=1 320 MPa。 锚杆施工时选用套管护壁成孔工艺，二次压力注浆施工方法。 锚杆间水平间距1.5 m。

基坑安全支护等级为二级，水平刚度系数Kt=1.6。

挡土结构计算宽度取排桩直径ba=0.8 m。

3.2.5 腰梁冠梁设计

锚杆腰梁采用型钢组合梁。 假设腰梁的荷载为均布荷载q′，其计算公式为：

式中，γ0为可变荷载的分项系数；γF为可变荷载的频遇值系数；Fh为腰梁的线荷载。

由于基坑宽度为110 m，而锚杆的水平间距s 取1.5 m，同时取冠梁高1 m，宽1.2 m。 以下对数值进行理正验算，并借助理正计算深基坑软件进行该支护分区的整体稳定性。

1）整体稳定验算

采用瑞典条分法，整体稳定安全系数KS=1.38＞1.30，满足规范要求。

2）抗倾覆稳定性验算

验算过程如表2 所示。

表2 抗倾覆稳定性验算

3）抗隆起验算

验算支护底部抗隆起系数：

式中，K 为抗隆起稳定性安全系数；γ1为非开挖侧土的重度，kN/m3；γ2为基坑面 以下土的重度，kN/m3；lc为嵌固 深 度，m；Nq、Nc为地基承载力系数；c 为基坑底土体黏聚力，kPa；h 为基坑开挖深度，m；q 为地面超载，kN/m2。

代入数据计算得K=1.68＞1.60，抗隆起稳定性满足。

4）嵌固深度构造验算

合力作用点至墙底的距离Hd=0.2×12.0=2.4 m， 依据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》，嵌固深度对于多支点支护结构不宜小于0.2 h（h 为合力作用点至桩、墙底的距离）。实际嵌固深度为20 m，满足构造要求。

5）嵌固段基坑内侧土反力验算

验算结果见表3。

表3 土反力验算

3.3 支护二区

该支护分区周围没有建筑物，场地开阔，选用桩锚支护方案施工会非常便利。因而选用桩锚支护方案，支护方案见表4。

表4 支护二区支护方案

3.4 支护三区

3.4.1 周边荷载情况

居民楼A 为地上6 层，无地下室，基础形式为承台基础，6层小楼基础埋深6 m，基地附加压力取20 kPa，荷载边缘距离基坑12 m，荷载作用宽度10 m，地面超载取20 kPa。

3.4.2 支护方案

该支护分区周围建筑荷载较小，离建筑物距离较近，开挖深度范围内未见地下水，土质较好，因而选用桩锚支护方案，支护方案见表5。

表5 支护三区支护方案

3.5 支护四区

3.5.1 周边荷载情况

地面超载取20 kPa。

距离基坑边缘10 m 处有一座2 层楼建筑，基础埋深1.5 m，基地附加压力取30 kPa，荷载作用宽度8 m。

3.5.2 支护方案

该支护分区位于基坑阳角处，受力较为复杂，选用桩锚支护效果更好，理正计算书详见附录。 支护方案见表6。

表6 支护四区支护方案

3.6 基坑监测

3.6.1 监测目的

深基坑工程的复杂性使其易发生事故， 基坑周围建筑和管线可能遭到破坏。 为保证工程安全，需要对基坑周围的建筑和管线进行监测，及时掌握情况，规避事故的发生。

3.6.2 监测内容

GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》中给出了常规的监测项目， 因此， 本项目需要对支护结构顶部水平位移、坡顶沉降、深层水平位移、基坑周边地表的竖向位移、地下水位变化进行检测，检测的报警值见表7。

表7 监测项目报警值表

4 结论

本文对山东东营某深基坑支护设计方案进行了分析，从基坑支护工程的周边环境、所在场地地形、地貌类型、地质环境、经济性、安全性、适用性问题等方面入手进行探讨，最终选择桩锚支护的方案， 并通过理正计算软件完成设计， 做出验算，结果表明设计方案能够满足该深基坑的支护要求。 得到某建筑的深基坑支护设计方案如下。

1）支护一区开挖深度17 m，采用桩锚支护方案，桩长32 m，直径0.8 m，水平间距1.5 m，竖向间距2 m。 支护二区开挖深度17 m，采用桩锚支护方案，桩长25 m，直径0.8 m，水平间距1.5 m，设置4 道锚杆，竖向间距2 m。 支护三区开挖深度17 m，采用桩锚支护方案，桩长16 m，直径0.8 m，水平间距1.5 m，设置5 道锚杆，竖向间距2 m。 支护四区开挖深度12 m，采用桩锚支护方案，桩长22 m，直径0.8 m，设置4 道锚杆，水平间距1.5 m，竖向间距2 m。